隔空照相和量子雷达
2017-12-20 09:37:46    《中国中学生报》 人参与 0评论
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上海光机所建成的国际上第一台激光三维强度关联成像工程原理样机
  能给10 多公里外的目标拍照,夜视能力出众,还能看穿云层,在众多以“量子”为前缀的高科技发明里,如今又多了一件:量子照相机。
  量子照相机是个不折不扣的“千里眼”,而它的衍生品量子雷达,则是新一代的“隐形飞机杀手”,目前正在被各国加紧研制。但要从量子照相机变为量子雷达,就如同从收音机到移动电话,还需一段漫长的技术演进过程。
 
可看透云层的“鬼”成像
  2015 年7 月,中国研制出一台无源单像素量子相机原理样机,并成功实现了约17 公里远目标的可见光成像。它的外形是个宽0.5 米、长1 米的绿色金属箱,镜头和感光元件全在金属箱体内,透着一股神秘感。
  量子相机的成像方式很特别,它是通过双组镜头分别接受太阳光以及目标反射光,并通过对比两种光,进行量子关联算法来重建目标图像的。普通相机拍照时,是通过感光元器件接收被摄物体上反射的光,从而获得物体的一个图像。如果拍摄环境光线不足,相机的感光元器件就难以形成清晰的图像。这时候,人们会利用红外线成像技术。任何比绝对零度(零下273 摄氏度)温度高的物体,都会向外辐射红外线。基于这个原理,在相机内设置接受红外线的感光器,就可实现红外成像。
  另一种微光成像技术就是量子成像。科学家对量子成像最早的认识是半个世纪前,英国天体物理学家汉伯里·布朗和特威斯为获得天体尺寸而开展的HBT 实验。两人在试验中发现,当一束光被分为两束时,两者的光强存在关联性。这与当时普遍认为光子是不会相互影响的观点相悖。该现象也被称为“光子聚束效应”。
  之后经过数十年的发展,尤其是激光技术的突飞猛进,1995 年美国马里兰大学首次完成了被称为“鬼成像”的量子成像实验。“鬼成像”就是在HBT 实验的基础上,在一束光的光路内放置物体,而后对比两束光的光强数据,随后可得到放置物体的图像。
  早期的量子成像必须在特定的光源下进行,而且只能得到物体的轮廓。而随着微电子技术的发展,以及量子关联算法的优化,目前的量子成像已经能在自然光源下,得到物体清晰的图像。
  2014 年,美国防务系统网站披露,美国陆军研究实验室(ARL)正在开发一种可“看穿”烟雾和热浪的量子成像技术。在披露资料中,该系统进行了距离2.33 公里的成像测试,在低光和气流紊乱情况下获取了清晰度令人惊讶的图像。
 
反隐利器量子雷达
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量子雷达探测隐形飞机原理示意图
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  相比红外成像,量子成像技术除了在微光领域表现抢眼,更重要的是,为量子雷达的实现打下了基础。随着复合材料以及航空发动机技术的进步,低可探测性的隐形飞机成为天空霸主。如今应对隐形飞机的雷达系统众多,而量子雷达被公认为未来最有效的反隐形手段之一。
  2008 年, 美国麻省理工学院教授劳埃德首次提出基于光波照射方式的量子雷达系统。这种量子雷达的原理与量子相机相似,只不过将相机接受的太阳光,变为探测光波。
  量子雷达内也有两台接收器,一台备份探测光波,另一台接受被照目标物回波,而后将两种波进行对比,根据量子关联算法得出目标图像、方位等信息。根据实验结果,劳埃德表示,随着探测光波复杂程度的上升,被照射物体可探测性将呈几何倍的增长。
  相比传统雷达,因光波的复杂性,被探测目标很难通过吸收、复制等方式干扰量子雷达。这就如同将标记目标的物质由颜料换成了荧光粉,极大提高目标的可探测性。
  当然,有盾就有矛。针对低复杂度的探照光波,目前人类已可以进行复制并因此使得量子雷达“致盲”。
  2013 年1 月,美国纽约罗切斯特大学的一个研究小组公布其研发出的可探照物体的量子雷达。但该研究小组在发表成果的同时也表示,他们的雷达系统并非完美,因为其所用的探照光所含的几种粒子容易被“吸走”和复制,敌方可对量子雷达进行同频探照光波辐射,这将使量子雷达不能开展量子关联运算而失去作用。

民用领域显神威
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  除了在军事领域,量子雷达在民生领域也有用武之地。
  2015 年4 月,由英国约克大学量子信息科学家领导的一个国际研究小组开发出一种量子雷达原型。该组织表示,其发明的量子雷达是个混合系统,能利用微波与光束之间的量子相关性来探测物体,如探测癌细胞这类低反射率目标。从长远来看,这种量子雷达能以非入侵的方式检查生物样本或人类组织中是否存在缺陷。在医疗中,这些技术可用在磁共振成像中,降低病人身体吸收的辐射剂量。
  量子雷达虽然是新一代的雷达系统,但目前它仍然处于实验室阶段。即便在量子雷达研发程度最为领先的军事领域,美国纽约罗切斯特大学和英国约克大学的量子雷达,也只是解决了探照问题,还不能实现追踪、锁定目标等功能。人们要见到可用于实战的量子雷达,恐怕还得等上多年。
高峰

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