摘要
随着量子理论基础的奠定以及量子技术的发展，人们尝试利用量子力学规律来进一步提升雷达探测能力，量子雷达技术应运而生。首先，给出量子雷达的定义，并将量子雷达技术按照量子技术在雷达中的实现方式分为量子纠缠雷达、量子增强雷达和量子衍生雷达。其次，阐述量子雷达独有的特点并将其与经典雷达进行对比。再次，针对量子雷达不同技术分支重点综述其主流技术以及实用化进程。最后，总结量子雷达相比经典雷达在探测、成像等方面的优势，并指出量子雷达技术在发展中亟待解决的理论技术难题，同时对量子雷达发展趋势进行展望。
引文格式：刘伟涛，聂镇武，孙 帅. 量子雷达技术的发展现状及趋势[J].国防科技，2023,44（4）：5-22.
研究背景
量子精密测量技术利用量子力学规律，可实现对时间、频率、距离等关键物理量远超经典方法精度的测量。由此发展起来的量子雷达近年来在理论框架、系统设计和实际应用方面不断取得突破性进展，引起社会各界的广泛关注。量子雷达是一种在信号发射端对电磁波的量子态进行调制，在信号接收端利用单光子探测或其他量子探测技术进行信号检测、噪声抑制，最终在探测距离、测量精度、抗干扰等方面实现性能提升的新型雷达技术[1]。
总体来说，量子雷达具有下述优势：第一，量子雷达以量子力学为理论基础，可以利用量子纠缠效应突破散粒噪声限制以达到更高的探测精度；第二，量子力学丰富了量子雷达的信号调制手段，有效扩充了获取信息的探测维度；第三，量子纠缠结合特定的探测策略以及量子探测器件，能够有效抑制背景噪声、干扰信号甚至伪装信号，使在极低信噪比条件下的目标探测成为可能；第四，量子雷达通常所需回波光子数少，具有低功耗的特点，便于集成至无人机、卫星等低功率搭载平台；第五，利用量子纠缠将不同频段的光子进行关联，有望解决雷达探测中探测距离与探测精度难以兼顾的难题；第六，借助光的波粒二象性，量子技术可以应用于各频段电磁波，频谱范围可涉及X射线至微波。
主要研究内容
经过数十年的发展，大量理论方案与实验结果表明，量子雷达技术相对经典雷达技术具有得天独厚的优势，发展潜力巨大，但在基本理论问题、技术研究、系统设计等方面尚存难点，尚未得到实际应用。
量子雷达技术已经取得了一定程度的发展。理论上来说，在系统发射端和接收端都采用量子技术是3种量子雷达中性能提升最大的方案，其发展主要受限于技术实现困难。量子增强雷达作为最具发展潜力的量子雷达方案，以其实现简单、性能提升明显而成为了实用进程最快的量子雷达方案，已在军事、航天以及商业领域得到应用。量子衍生雷达抓住了量子纠缠雷达的核心——关联，在经典条件下利用关联提升雷达成像性能，降低了技术实现难度，因而受到广泛关注并得到了迅速发展。
与经典雷达相比，量子雷达具备以下特点。第一，量子雷达中独有的量子探测手段可以检测到更加微弱的信号，提高了雷达系统的探测距离。第二，量子雷达可以发挥量子纠缠的优势，可以有效地从接收信号中区别出干扰信号、伪装信号、噪声信号，并增强真实信号，具有防欺骗、抗干扰、抗噪声等特点。第三，无论是在信号接收端还是发射端，量子雷达都只需要对少量的信号光子进行调制、接收，因此，通常发射功率低，系统尺寸与质量也相对较小，不仅便于系统集成，也天然具备反侦察优势。第四，量子雷达以量子力学为理论基础，可以突破散粒噪声极限并可以在理论上达到海森堡极限，提高了雷达系统在距离、速度上的探测精度。第五，量子雷达可以利用量子力学原理将目标的信息调制到回波信号中，结合丰富的量子探测手段获取更多的信息，拓展雷达探测获取信息的维度。第六，量子雷达可以利用量子纠缠将不同频段的光子进行关联，使信号光子不受大气扰动传播，而参考光子可以提供更高的空间分辨率，有望解决雷达探测中探测距离与探测精度之间的矛盾。第七，由于光的波粒二象性，尽管不同频段的电磁波特性差异巨大，量子力学依然可对其有效描述。这使得量子技术可以应用于各频段电磁波，进一步拓宽了雷达工作电磁频谱。
尽管量子雷达的发展潜力巨大，但也要认真考虑其应用地位，以充分发挥其高精度、抗干扰的优势。相关工作表明[7]，量子雷达的理论优势通常都在极低信噪比、强干扰条件下才可成立。对于大多数应用场景，经典雷达的理论探测能力上限是不低于量子雷达的。因此，量子雷达更适合作为经典雷达的补充，而不是全方位替代经典雷达。此外，量子雷达所需元器件的工作条件相对苛刻，系统容易受到外界的扰动而失去量子资源带来的优势。让量子雷达系统在复杂工作环境下保持稳定有效将是量子雷达技术走向应用的关键点，否则量子雷达技术可能难以走出实验室。
要完全发挥量子雷达的优势还有诸多理论和工程问题有待研究。一是相关基本原理尚未体系化。探测方式优化、成像基本过程、系统信息处理、目标响应模型等核心理论问题有待进一步研究与讨论。二是关键技术亟待突破。光场多自由度稳定纠缠的光源是量子雷达技术走向应用的核心技术，相应量子接收机的设计与制备是决定量子雷达性能的关键。三是实用化量子系统还需进一步论证。研究人员虽然提出了许多量子雷达系统方案并进行了实验论证，但实用化的系统设计相对较少，距离真正落地还存在一定差距。
版权声明：本文全文刊发于2023年第3期《国防科技》期刊，作者：刘伟涛，聂镇武，孙帅，如需转载，请务必注明“转自《国防科技》期刊”
