Remote Sensing更新 | 理解量子雷達(dá)的限制和可能性

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引言
量子雷達(dá)(QR)近年來引起了廣泛關(guān)注，可提供增強(qiáng)的探測能力和潛在的優(yōu)勢，超越經(jīng)典雷達(dá)系統(tǒng)。本文旨在全面概述量子雷達(dá)技術(shù)、其理論基礎(chǔ)以及目前限制其廣泛應(yīng)用的實(shí)際限制[1]。



量子雷達(dá)基礎(chǔ)
! ?& d1 l# O* F1 W量子雷達(dá)基于量子照明(QI)原理，利用糾纏光子對來探測和定位目標(biāo)。這個概念涉及生成糾纏光子對，其中一個光子(信號)被發(fā)送到潛在目標(biāo)，而另一個(閑置)被保留在接收器。探測過程依賴于接收到的光子與存儲的閑置光子之間的相關(guān)性。

+ k0 ?7 L" b9 H6 C5 B- _已提出兩種主要類型的量子雷達(dá)：
& A& O9 V1 @9 h& Y/ i' w1. 量子照明(QI)雷達(dá)
2. 量子雙模壓縮(QTMS)雷達(dá)

$ a# [7 v/ N" B! UQTMS雷達(dá)的操作類似于傳統(tǒng)雷達(dá)，但利用量子效應(yīng)可能增強(qiáng)探測能力。


圖1：比較了傳統(tǒng)雷達(dá)(CR)、噪聲雷達(dá)(NR)和量子雷達(dá)(QR)的框圖，突出了信號生成和處理的差異。


  Z9 w- x* t) L6 h' h5 g光子統(tǒng)計(jì)和背景噪聲
量子雷達(dá)操作的一個關(guān)鍵方面是信號光子和背景噪聲光子之間的關(guān)系。每個模式的平均背景光子數(shù)(NB)由玻色-愛因斯坦方程描述：

( U! T5 D2 ~) R3 v
其中：
h = 普朗克常數(shù)
f = 頻率
KB = 玻爾茲曼常數(shù)
Ts = 系統(tǒng)溫度


9 d' D" }# R8 `6 h圖2：顯示了不同系統(tǒng)溫度下每單位模式的平均光子數(shù)(NB)與頻率的關(guān)系，說明了頻率與背景噪聲之間的關(guān)系。

! c6 r0 o& a0 T* l量子雷達(dá)的距離限制
量子雷達(dá)系統(tǒng)的最大探測距離受到幾個因素的根本限制，包括發(fā)射的光子數(shù)、目標(biāo)的雷達(dá)截面積和系統(tǒng)的噪聲溫度。
0 R; B. M+ H  [9 a# S7 \
0 O1 G7 T' \7 z$ j1 N2 z" E$ f距離R處目標(biāo)的自由空間雙向衰減由以下公式給出：
  O4 q% P6 @( |

其中：
$ k! U7 D& a4 N8 s1 ?G = 天線增益
λ = 波長
σ = 雷達(dá)截面積

& m' h" N" u, O2 u- y. ]
6 ]6 V" f* h1 W- S3 ~圖3：顯示了X波段頻率下不同天線增益的自由空間衰減(aR)與距離的關(guān)系，展示了衰減隨距離的快速增加。
6 {2 ]  H: v. z( I6 z- n
2 f4 s) y" Q# }. w+ d- F, P) \0 U量子雷達(dá)的最大探測距離(Rmax)可以用以下公式計(jì)算：
3 G6 a; ~, ?6 ]- F# F

, L# ^' u1 V1 h" s: ^6 N其中：
L = 總損耗
SNRmin = 最小所需信噪比
Ns = 每個模式的平均信號光子數(shù)
ηQ = 量子優(yōu)勢
6 ^/ d! R/ ^0 z6 S7 W  ?B = 帶寬
T = 信號持續(xù)時間

圖4顯示了X波段QR的雷達(dá)探測距離(Rmax)與不同系統(tǒng)溫度和量子優(yōu)勢下的時間持續(xù)關(guān)系，說明了量子雷達(dá)系統(tǒng)的有限探測距離。
0 n, f2 r8 V+ |: M9 \% i. x

與經(jīng)典雷達(dá)和噪聲雷達(dá)的比較
為了理解量子雷達(dá)的潛在優(yōu)勢和限制，比較其與經(jīng)典雷達(dá)(CR)和噪聲雷達(dá)(NR)系統(tǒng)非常重要。
0 C; Y! B) h: W3 T# J
; T; T) n+ Z% _* @; c, M噪聲雷達(dá)波形
5 Y4 m" ]2 j& f% f9 |3 z2 q3 T0 ]噪聲雷達(dá)系統(tǒng)使用可以調(diào)整的偽隨機(jī)信號，以實(shí)現(xiàn)理想的特性，如低峰值旁瓣電平(PSL)和可接受的峰均比(PAPR)。相比之下，量子雷達(dá)信號本質(zhì)上是隨機(jī)的，無法修改，導(dǎo)致由于較差的PAPR而造成更高的損耗。
. y; B; l% l$ }: r% o  i

圖5：說明了信噪比損耗與PAPR之間的關(guān)系，顯示了定制噪聲雷達(dá)波形相對于量子雷達(dá)信號的優(yōu)勢。

探測距離比較
* W: Y6 z& ]) e) i* \9 x! ]9 o噪聲雷達(dá)和量子雷達(dá)之間的最大探測距離比可以表示為：
* `6 A, j  K8 K: M
  l6 ?$ [; {& i0 X其中：
# D& w+ |8 M+ I9 y4 F% c* zPT = 發(fā)射功率
! U% F; I( q: c7 ]6 [KB = 玻爾茲曼常數(shù)
Ts = 系統(tǒng)溫度
5 F0 c8 T5 k4 C! T- m5 tB = 帶寬
% n. \3 u' T( Z9 C/ J0 ~NB = 每個模式的平均背景光子數(shù)
Ns = 每個模式的平均信號光子數(shù)
) O. y2 x: Y) A5 YηQ = 量子優(yōu)勢


圖6：比較了X波段頻率下噪聲雷達(dá)和量子雷達(dá)的最大探測距離，展示了噪聲雷達(dá)相對于量子雷達(dá)的顯著距離優(yōu)勢。


實(shí)際限制和挑戰(zhàn)
# y; S* w' ?" X2 S) C  n: R幾個實(shí)際限制和挑戰(zhàn)阻礙了量子雷達(dá)系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)施：
3 |' s- m1 f3 \) p+ A+ O1. 低信號光子計(jì)數(shù)：量子雷達(dá)在每個模式光子數(shù)很少(Ns
3 X7 F! r  U& p2. 低溫冷卻需求：為實(shí)現(xiàn)理論上的量子優(yōu)勢，整個雷達(dá)系統(tǒng)（包括天線）必須冷卻到極低溫度（接近絕對零度），這對大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用來說是不切實(shí)際的。
( n4 ]* e! i5 a& r3. 有限帶寬：量子雷達(dá)系統(tǒng)的帶寬受到監(jiān)管和技術(shù)限制，通常不超過載波頻率的10%。
4. 大氣效應(yīng)：在量子效應(yīng)更明顯的較高頻率下，大氣衰減成為一個關(guān)鍵因素，限制了系統(tǒng)的操作范圍。
5. 目標(biāo)波動和多普勒效應(yīng)：量子雷達(dá)所需的長積分時間使系統(tǒng)容易受到目標(biāo)閃爍和多普勒頻率偏移的影響，可能會抵消任何量子優(yōu)勢。
* r/ |. P5 B" X6 I: O( {
+ `) O) O: e- P  @潛在應(yīng)用和未來前景
雖然量子雷達(dá)當(dāng)前的限制使其不適合傳統(tǒng)目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測，但在某些特定應(yīng)用中可能找到用途：
& l1 {! _' E8 O; q2 j. P1. 短程感測：生物醫(yī)學(xué)感測、微波斷層掃描和非侵入式生命體征監(jiān)測等應(yīng)用可能受益于量子雷達(dá)的低功率特性。
2. 細(xì)胞生物學(xué)研究：在需要對單個細(xì)胞施加極低輻射功率的情況下，量子照明技術(shù)可能有用。
  J1 t) X, A0 _1 E3. 高頻感測：由于量子效應(yīng)在更高頻率下更加明顯，在太赫茲、紅外或光學(xué)領(lǐng)域可能存在潛在應(yīng)用。
0 g& T$ _& A! X4. 其他領(lǐng)域的量子感測：量子照明原理可能在雷達(dá)以外的其他感測和計(jì)量領(lǐng)域找到應(yīng)用。
" b& Z: h0 t7 l+ J
, g' ~; F# F$ I! `5 u8 g  l; [結(jié)論
量子雷達(dá)技術(shù)雖然在理論上有前景，但面臨著嚴(yán)重的實(shí)際挑戰(zhàn)，限制了其在實(shí)際場景中的應(yīng)用。固有的距離限制，加上對低溫冷卻的需求，以及無法在不失去量子優(yōu)勢的情況下放大信號，使量子雷達(dá)不適用于大多數(shù)常規(guī)雷達(dá)應(yīng)用。
4 V9 y$ o8 A% E
& g+ Q! u0 ]5 B! A+ B量子雷達(dá)據(jù)稱的優(yōu)勢，如改進(jìn)隱身目標(biāo)的探測或顯著增強(qiáng)距離性能，并未得到當(dāng)前理論和實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持。事實(shí)上，傳統(tǒng)雷達(dá)和噪聲雷達(dá)系統(tǒng)在探測距離和整體性能方面始終優(yōu)于量子雷達(dá)。
4 j" t7 D8 C8 Z' l( e6 Y; V  h
: H- n+ b" a/ @; A# m然而，量子雷達(dá)的研究已經(jīng)促進(jìn)了我們對量子感測的理解，可能為其他領(lǐng)域的新應(yīng)用開辟機(jī)遇。隨著研究的繼續(xù)，以批判和現(xiàn)實(shí)的視角看待量子雷達(dá)技術(shù)非常重要，重點(diǎn)關(guān)注其獨(dú)特屬性可能提供真正優(yōu)勢的潛在特定應(yīng)用。

6 A4 l" N9 C1 V7 s未來的量子雷達(dá)研究應(yīng)該集中于：

開發(fā)更高效的方法來生成和探測微波頻率下的糾纏光子對。

探索短程、低功率感測場景中的潛在應(yīng)用。

研究在其他頻段（如太赫茲或光學(xué)領(lǐng)域）使用量子照明原理的可能性。

解決實(shí)施量子雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)際挑戰(zhàn)，包括低溫冷卻和信號處理。

通過理解量子雷達(dá)的限制和可能性，研究人員和工程師可以更好地引導(dǎo)他們的努力，開發(fā)實(shí)用的量子感測技術(shù)，有朝一日可能補(bǔ)充或增強(qiáng)現(xiàn)有的雷達(dá)和感測系統(tǒng)。
4 n* Z- B/ ]2 M$ T1 t" A+ Y

8 C* a. _9 C& W9 Z) u參考文獻(xiàn)
& j5 t3 s% R: ]" x! t# n: k: P* c$ y3 W[1] G. Pavan and G. Galati, "Range Limitations in Microwave Quantum Radar," Remote Sens., vol. 16, no. 2543, pp. 1-20, Jul. 2024, doi: 10.3390/rs16142543.
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