【正文】 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第 2 頁 共 25 頁 量子糾纏是量子力學(xué)不同于經(jīng)典物理最不可思議，最奇妙的特性。它反映了量子理論的本質(zhì)：相干性，或然性和空間非定域性?！凹m纏”這一詞語 可以追溯到量子量子力學(xué)的誕生之始。糾纏 (entanglement)的概念最早出現(xiàn)在薛定諤 1935 年的薛定諤貓態(tài)的論文，貓的死態(tài)或者活態(tài)和 50%的放射性原子核是否產(chǎn)生衰變放射出一個(gè)粒子相糾纏。同年愛因斯坦（ A. Einstein）和波多爾斯基（ B. Podolsky） 還有羅森（ N. Rosen）一起發(fā)表的 EPR 論文包含了糾纏的想法。 愛因斯坦是量子力學(xué)的奠基人之一，但愛因斯坦一直對(duì)量子力學(xué)體系只給出幾率性的預(yù)言感到不滿意，從而對(duì)量子力學(xué)的完備性產(chǎn)生了質(zhì)疑。 1935 年發(fā)表了題為《能認(rèn)為量子力學(xué)對(duì)物理實(shí)在的描 述完備嗎？》的論文，他們以定域?qū)嵲谡撚^點(diǎn)為起點(diǎn)，提出了一個(gè)簡(jiǎn)易的理論實(shí)驗(yàn)，從而來找出量子力學(xué)的悖論。愛因斯坦他們覺得，在沒有外界因素影響的條件下，如果能夠預(yù)測(cè)一個(gè)物理量的值則它是一個(gè)客觀實(shí)在，對(duì)應(yīng)著一個(gè)物理實(shí)在元素；一個(gè)完善的理論系統(tǒng)應(yīng)該包含它的領(lǐng)域內(nèi)的所有物理實(shí)在元素。對(duì)于兩個(gè)分離開的沒有任何直接聯(lián)系的兩個(gè)系統(tǒng)，對(duì)其中一個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)物理量的測(cè)量不會(huì)對(duì)另外一個(gè)系統(tǒng)的物理量描述產(chǎn)生改變，即不存在超越距離的作用。根據(jù)這個(gè)理論 EPR 他們分析了有兩個(gè)粒子組成的一個(gè)系統(tǒng)，他們指出每個(gè)粒子各自的動(dòng)量和坐標(biāo)算子不對(duì)易， 但這兩個(gè)粒子的位置算子差 x1 x2 和動(dòng)量和 p1p2 對(duì)易。所以他們得出結(jié)論：量子力學(xué)對(duì)物理實(shí)在描述的不完善或者存在一種神秘的超距作用（非定域效應(yīng)）。人們對(duì)量子糾纏的研究一直沒間斷 ,1951 年玻姆（ ）研究了一個(gè)雙原子分子。這對(duì)雙原子稱作粒子 A 和 B,他們具有 1/2 自旋 ,總自旋為零。分子的兩個(gè)原子在某個(gè)內(nèi)在因素的作用下反向飛出。正如玻姆說 :“當(dāng)這個(gè)內(nèi)在因素消失后，兩個(gè)原子之間是不相關(guān)的 ,但是對(duì)他們的自旋行為的描述還是有關(guān)聯(lián)的。”即這兩個(gè)原子仍處于自旋關(guān)聯(lián)態(tài)。由此得出玻姆的設(shè)想包含了量子糾纏 , 沒有互 相作用的兩個(gè)系統(tǒng)，它們之間還是存在一定的聯(lián)系。 就愛因斯坦三人的觀點(diǎn)，量子力學(xué)是一個(gè)不完備的理論。量子力學(xué)應(yīng)當(dāng)附加變量對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充，來確保量子力學(xué)的理論因果性和定域性。 1964 年貝爾（ ）根據(jù)兩個(gè)條件定域?qū)嵲谡摵碗[變量理論導(dǎo)出了一個(gè)貝爾不等式。貝爾不等式是一個(gè)自旋相關(guān)度的不等式。貝爾指出，這個(gè)不等式約束了定域?qū)嵲谡摵碗[變量理論導(dǎo)出的理論，然而這個(gè)不等式卻不能限制量子力學(xué)的理論。貝爾因而得出了一個(gè)結(jié)論：定域性和隱變量理論不能完美的解釋量子力學(xué)的全部結(jié)果。這就是著名的貝爾定理！ 1989 年 Greenberger， Horne 和 Zeilinger（ GHZ）研究了三個(gè)相互糾纏粒子組成的態(tài)。這個(gè)態(tài)叫做 GHZ 態(tài)并且他們得出了 GHZ 定理。三粒子 GHZ 態(tài) ,他們有一組可觀測(cè)量是相互對(duì)易的 ,測(cè)量這組可觀測(cè)量 ,可以確定的、非統(tǒng)計(jì)的方式給出一個(gè)很好的結(jié)果，經(jīng)典定域?qū)嵲趯?duì)于這個(gè)結(jié)果沒法說明。 GHZ 定理以等式的形式，一種確定的非統(tǒng)計(jì)的方式說明了定域?qū)嵲谡撛诹孔恿W(xué)中不適用。相對(duì)于兩個(gè)粒子 ,三個(gè)粒子 量子雷達(dá) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第 3 頁 共 25 頁 GHZ 態(tài)對(duì)定域?qū)嵲谡撚懈蟮臎_擊，進(jìn)而支持了貝爾的結(jié)論。 1990 年 David Mermin 證明 ,隨著量子糾纏態(tài)中粒子數(shù)的增 加，經(jīng)典關(guān)聯(lián)和量子關(guān)聯(lián)會(huì)越來越大 ,違背的 Bell 不等式的程度也會(huì)越來越大。 20xx 年 ,在 GHZ 定理基礎(chǔ)上 ,Cabello 提出了無不等式的貝爾定理 ,即 Cabello 定理 :對(duì)最大糾纏態(tài)中的一組力學(xué)量這組力學(xué)量的測(cè)量 ,量子理論確定的給出了一個(gè)與經(jīng)典定域?qū)嵲谡撓嗷ミ`背的結(jié)果。 經(jīng)過近百年的發(fā)展量子理論越來越被我們所認(rèn)可，而量子糾纏也越來越變得不那么神秘 ,量子糾纏的性質(zhì)也逐漸的曝露在我們的視野里。量子糾纏源的制備技術(shù)越來越成熟 ,量子糾纏源的應(yīng)用也會(huì)逐漸成熟。 雷達(dá)的發(fā)展 1934 年，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn) 室開發(fā)了世界上首部脈沖雷達(dá)，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)并估算目標(biāo)距離。此后，在第二次世界大戰(zhàn)期間，雷達(dá)被證明是一個(gè)非常重要的戰(zhàn)場(chǎng)工具。比如，英國(guó)首次應(yīng)用雷達(dá)裝備探測(cè)空中目標(biāo)，可提前知曉敵方戰(zhàn)機(jī)的來襲。盡管存有疑義，但雷達(dá)在“大不列顛之戰(zhàn)”中為盟軍提供了關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。自此之后，雷達(dá)在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上和民用領(lǐng)域獲得了廣泛發(fā)展。 雷達(dá)利用信息的方式隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，不斷發(fā)生變化，從單純利用信號(hào)的強(qiáng)度信息，演化為綜合利用電磁信號(hào)的頻率和相位信息，即電磁場(chǎng)的二階特性 ,通過發(fā)射電磁波二階特性的應(yīng)用，在調(diào)制方式上，出現(xiàn)了線性調(diào)頻相位 編碼和捷變頻等復(fù)雜信號(hào)形式，這些信號(hào)形式有效解決了傳統(tǒng)雷達(dá)時(shí)寬與帶寬的矛盾，并提升雷達(dá)抗干擾、抗雜波的能力。在檢測(cè)技術(shù)上，催生了動(dòng)目標(biāo)檢測(cè) （ MTD） 技術(shù)。空時(shí)自適應(yīng)處理 （ STAP）技術(shù)和脈沖多普勒體制 (PD) ，這些技術(shù)利用目標(biāo)和雜波在多普勒域上的差異，實(shí)現(xiàn)雜波中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的有效檢測(cè)，提升雷達(dá)抗雜波能力。 當(dāng)前雷達(dá)系統(tǒng)的性能亟待改進(jìn)，對(duì)隱身平臺(tái)及其他目標(biāo)的探測(cè)概率、識(shí)別與鑒別能力亟待提高。尤其是軍事領(lǐng)域、空間探測(cè)、行星防御等領(lǐng)域。 量子信息技術(shù)將成為改進(jìn)遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。 量子雷達(dá)是 將量子信息技術(shù)用于目標(biāo)探測(cè)的電子設(shè)備，它是將量子信息調(diào)制到雷達(dá)信號(hào)中，通過識(shí)別雷達(dá)回波信號(hào)中，單個(gè)光子的狀態(tài)信息變化而獲得目標(biāo)信息，從而完成目標(biāo)探測(cè)的電子設(shè)備。 從本質(zhì)上來說，量子雷達(dá)并沒有脫離經(jīng)典雷達(dá)探測(cè)的理論體系，只是在利用量子理論進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)，對(duì)雷達(dá)中一些概念和物理現(xiàn)象，如“接收機(jī)噪聲”等，具有全新的，更準(zhǔn)確的理解。在此基礎(chǔ)上，量子雷達(dá)從信息調(diào)制載體和檢測(cè)處理等方面入手，提升雷達(dá)的性能?？傮w而言，量子雷達(dá)是對(duì)經(jīng)典雷達(dá)理論的更新和補(bǔ)充，而不是顛覆和取代。 首先 ,經(jīng)典雷達(dá)通過對(duì)宏觀電磁波相位和頻率的操作 和控制，獲取其在空間、時(shí) 量子雷達(dá) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第 4 頁 共 25 頁 間和頻率等維度上的調(diào)制效應(yīng)，而量子信息技術(shù)的信息載體為電磁場(chǎng)的微觀量子和量子態(tài)。相比較而言，一方面，量子雷達(dá)將雷達(dá)探測(cè)發(fā)射信息的調(diào)制維度，由電磁場(chǎng)宏觀的空、時(shí)、頻特征，推廣至可以表征“微觀粒子相關(guān)關(guān)系”的量子態(tài)特征，對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)探測(cè)的信息維度進(jìn)行擴(kuò)充另一方面，量子雷達(dá)將雷達(dá)探測(cè)接收信號(hào)的檢測(cè)極限，由宏觀電磁場(chǎng)能量檢測(cè)的靈敏度，擴(kuò)展為微觀量子檢測(cè)的“暗計(jì)數(shù)”。 其次，經(jīng)典雷達(dá)檢測(cè)理論在經(jīng)歷了由能量檢測(cè)向相參檢測(cè)的擴(kuò)展后，目前的檢測(cè)機(jī)理是利用回波信號(hào)在宏觀空 時(shí) 頻域的相參性特征，以回 波信號(hào)信噪比最大為準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)有無的檢測(cè)和目標(biāo)信號(hào)參數(shù)的估計(jì)。在經(jīng)典電磁理論下，雷達(dá)接收 機(jī)的噪聲是由于器件中短電流引起的散粒噪聲引起，而量子理論則認(rèn)為部分噪聲是由于入射信號(hào)場(chǎng)在量子層面的微觀特性導(dǎo)致的，因此，量子雷達(dá)一方面可以通過相應(yīng)的量子操作 ( 如壓縮真空注入和相位敏感放大等 )，降低接收端的噪聲水平 。 提升雷達(dá)性能；另一方面，可以利用信號(hào)在微觀層面存在的高維度相參特性，通過量子檢測(cè)與估計(jì)理論，利用目標(biāo)信號(hào)與噪聲在高維度上差異，可以進(jìn)一步提升信號(hào)檢測(cè)的性能，甚至突破經(jīng)典檢測(cè)與估計(jì)的理論極限。 20xx 年 ,美國(guó)羅切斯特大學(xué) 光學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種抗干擾的量子雷達(dá)，這種雷達(dá)利用光子的量子特性來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像，由于任何物體在接收到光子信號(hào)之后都會(huì)改變其量子特性，所以這種雷達(dá)能輕易探測(cè)到 隱形飛機(jī) ，而且?guī)缀跏遣豢杀桓蓴_的。該技術(shù)的原理與量子密鑰分配加密技術(shù)比較類似，在竊聽者試圖改變量子特性時(shí)就會(huì)暴露自己的位置。在本項(xiàng)研究中，工程師們使用新型偵測(cè)技術(shù)能夠揭穿頻率干擾等反制手段，來自紐約 羅徹斯特大學(xué) 的研究小組展示了如何通過光子的量子屬性來獲 得先進(jìn)的 反隱身技術(shù) 。對(duì)此， 麻省理工學(xué)院 的科學(xué)家評(píng)論認(rèn)為這項(xiàng)新的偵測(cè)技術(shù)依賴于任何一個(gè)測(cè)量光子的行為總會(huì)摧毀它自身的量子特性，由此就可通過 破壞原來光子的 量子 特征來重新模擬出虛假的光子屬性，以達(dá)到欺騙目的。 如果一架 雷達(dá) 隱形的飛機(jī)試圖攔截這些光子并重新發(fā)送虛假信號(hào)，雷達(dá)回波僅相當(dāng) 于一只鳥的面積就可以掩蓋自身的真實(shí)位置，但量子雷達(dá)在這一欺騙過程中也發(fā)現(xiàn)了敵方飛機(jī)的蹤跡。這項(xiàng)新發(fā)明在技術(shù)工程上也有相似的運(yùn)用，比如可以用類似的方式進(jìn)行量子 密鑰 加密，通過改變密鑰的量子屬性來達(dá)到目的。來自 羅徹斯特 光學(xué)研究所的科學(xué)家梅胡爾馬利克 (Mehul Malik)利用該技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)程 隱形轟炸機(jī) 進(jìn)行反射光子測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)量反射信號(hào)的極化錯(cuò)誤率。 研究人員計(jì)劃將來用該技術(shù)于識(shí)別 隱身 作戰(zhàn)飛機(jī)，當(dāng)截獲到敵方防空雷達(dá)信號(hào)時(shí)，將信號(hào)的量子特征進(jìn)行修改，并自動(dòng)形成一只鳥的信號(hào)發(fā)送往敵方雷達(dá)，這樣似乎可以達(dá)到傳統(tǒng)的隱身目的，但新型量子雷達(dá)卻很容易揭穿這一詭計(jì)。 麻省理工學(xué)院 的研究人員認(rèn)為這是第一次使用 量子力學(xué) 研制的成像系統(tǒng)，成果是令人印象深刻的，可以不 量子雷達(dá) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第 5 頁 共 25 頁 受到任何雷達(dá)干擾措施的影響。然而，量子偵測(cè)技術(shù)所需的設(shè)備可以由全球范圍的實(shí)驗(yàn)室研制出來，但還沒有裝備到軍隊(duì)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了量子、量子糾纏、經(jīng)典雷達(dá)及量子雷達(dá)的基本概念和發(fā)展，簡(jiǎn)要的以公式形式描述了量子糾纏，最后舉例說明量子雷達(dá)的應(yīng)用和前景，充分體現(xiàn)了量子 信息技術(shù)在未來的重要角色。 量子雷達(dá) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第 1 頁 共 25 頁 第二章 量子雷達(dá)技術(shù) 電磁波的量子特性 電磁波的量子特性分析 實(shí)踐證明 : 微觀世界遵循量子力學(xué)原理。光和電磁波都具有波粒二象性。光的波動(dòng)性和粒子特性都很顯著 , 微波波段的電磁波 , 波動(dòng)性顯著粒子性較弱。通過測(cè)量電磁波的波動(dòng)性只能獲得信號(hào)的頻率和相位 , 它們不能很好地反映出信息的空間序列特性。而測(cè)量電磁波的粒子性可以獲得信號(hào)的動(dòng)量和位移 ,它們具有信息的空間序列特性 , 作為提取圖像信息具有天然的優(yōu)越性。但是通過測(cè)量電磁波的粒子特性來獲得信息有個(gè)致命的 缺點(diǎn) :信號(hào)十分微弱。當(dāng)今由于量子通信技術(shù)的興起 ,這一致命弱點(diǎn)逐步得到了解決。而現(xiàn)實(shí)當(dāng)中人的視覺系統(tǒng)其實(shí)就是一個(gè)測(cè)量光粒子特性的置。這使得利用電磁波的粒子特性傳遞信息有實(shí)際可參考的例子。 人類圖像處理系統(tǒng)分析 人類的大腦是一個(gè)性能優(yōu)良的、并行的圖像處理器。從人類大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理信息的方式 , 可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論 : 1) 人類的視網(wǎng)膜感應(yīng)的是光波的粒子特性 ( 類似太陽能電池板 ) 。 2) 人類大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有量子感應(yīng)特性 ( 對(duì)單量子脈沖有反應(yīng) ) [1amp。2] 。 3) 人類大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是并行處理圖像信息 , 且具有量子計(jì)算的自然而高效的并行特點(diǎn)。 早在 1996 年 Perus 博士