一、 前言

量子科技的價值日漸體現(xiàn)，量子探測技術(shù)是量子科技的重要方向之一。量子探測技術(shù)是傳統(tǒng)探測技術(shù)和新興的量子科技融合產(chǎn)生的新型探測技術(shù)。主要針對目前傳統(tǒng)探測技術(shù)無法解決的瓶頸問題，例如探測信噪比探測靈敏度限制，探測成像分辨率限制，復(fù)雜環(huán)境探測性能下降的問題，更多維度特征信息的探測獲取等。文中首先綜述了一些現(xiàn)有的前沿量子探測技術(shù)情況，然后介紹了哈工大課題組在量子探測技術(shù)領(lǐng)域的一些典型工作，最后對整個量子探測技術(shù)方向發(fā)展提出的建議。

二、現(xiàn)有的前沿量子探測技術(shù)

現(xiàn)有的前沿量子探測技術(shù)主要包括基于量子偏振的安全量子探測技術(shù)、量子關(guān)聯(lián)成像（即鬼成像）探測技術(shù)、量子照明探測技術(shù)、量子增強(qiáng)激光探測技術(shù)。

（1）基于量子偏振的安全量子探測技術(shù)

圖1基于量子偏振的安全量子探測系統(tǒng)和結(jié)果

美國羅切斯特大學(xué)光學(xué)研究所的梅胡爾·馬利克(Mehul Malik)等人最早提出一種抗干擾的量子安全成像探測技術(shù)。該方案利用量子偏振特性來對目標(biāo)進(jìn)行探測，該技術(shù)的原理與量子密鑰分發(fā)技術(shù)類似，在竊聽者試圖竊聽時就改變了光子的量子特性從而暴露自己的竊聽行為，這種量子安全成像方案能輕易探測到具有隱身功能的隱形飛機(jī)，而且?guī)缀跏遣豢杀桓蓴_的。其工作過程如圖1所示，He-Ne激光器發(fā)出波長為0.6328μm的激光，經(jīng)過聲光調(diào)制裝置產(chǎn)生0度、45度、90度和135度四種偏振態(tài)，照射目標(biāo)，模擬遠(yuǎn)距離傳輸進(jìn)一步衰減為平均每脈沖含有一個光子的脈沖序列。這些單光子脈沖信號經(jīng)過極化分束器分束，再經(jīng)過透鏡匯聚然后由EMCCD探測四種不同偏振態(tài)的回波光子，最后給出目標(biāo)的成像結(jié)果，通過錯誤率分析判斷信號是否受到干擾。

（2）量子關(guān)聯(lián)成像（即鬼成像）探測技術(shù)

鬼成像最早的構(gòu)想是利用相互糾纏的光源進(jìn)行關(guān)聯(lián)成像。在20世紀(jì)80年代左右，前蘇聯(lián)的科學(xué)家Klyshko參考糾纏光子對特有的量子糾纏現(xiàn)象，首先在理論上闡述了利用糾纏光子的關(guān)聯(lián)成像方案。關(guān)聯(lián)成像第一次的實驗驗證是University of Maryland的史硯華教授于1995年實現(xiàn)，該實驗使用的裝置結(jié)構(gòu)可以由圖2(a)表示出來，氬離子激光器發(fā)出波長為351.1nm，光束直徑為2mm的光源作為泵浦光源，用于泵浦非線性硼酸鋇晶體（BBO）來形成糾纏光源，光源被分成兩束光束，其中一束為信號光，信號光經(jīng)過物體后攜帶著物體的信息，被一個25mm焦距的D1接收器進(jìn)行桶測量；另一束光為參考光，被一個由直徑為0.5mm的多模光纖組成的接收器接收，兩個光路的探測器接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過關(guān)聯(lián)計算，就可以得到該目標(biāo)的強(qiáng)度像信息。實驗?zāi)繕?biāo)為透射型物體，該目標(biāo)的成像的結(jié)果如圖2(b)所示。

（a）實驗結(jié)構(gòu)圖 （b）實驗中的目標(biāo)和成像結(jié)果

圖2關(guān)聯(lián)成像的實驗裝置和結(jié)果

（3）量子照明探測技術(shù)

量子照明探測技術(shù)最早由麻省理工學(xué)院的Seth Lloyd等人于2008年提出。他們提出使用制備的量子糾纏光子對實現(xiàn)量子照明，量子照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。其中一路糾纏光子發(fā)射照亮物體，另一路糾纏光子保留在本地作為輔助信號。系統(tǒng)通過回波光子和本地光子的糾纏測量實現(xiàn)探測信噪比的提升。理論研究表明。具有m比特糾纏的量子照明可以有效提高信噪比2m倍。即使在噪聲和損耗很強(qiáng)的環(huán)境下以至于探測器上不存在糾纏時，量子增強(qiáng)效果仍然存在。

圖3量子照明激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖

（4）量子增強(qiáng)激光探測技術(shù)

圖4量子增強(qiáng)激光探測技術(shù)的示意圖

a、b分別為相干態(tài)和壓縮真空態(tài)

量子增強(qiáng)激光雷達(dá)基于干涉測量原理，通過測量干涉光路中兩條光路的相位差得到目標(biāo)信息。如圖4所示為2008年意大利波沃特倫托大學(xué)的L. Pezzé和A. Smerzi提出的基于相干態(tài)和壓縮真空態(tài)輸入的相位測量方案。該方案基于馬赫-曾德爾干涉儀，其中a、b為輸入端，第二行光束中由于目標(biāo)的存在引入了θ的相位延遲。c、d為系統(tǒng)的輸出端，通過探測器探測輸出端c、d的輸出光強(qiáng)以及干涉條紋的變化規(guī)律，計算出目標(biāo)導(dǎo)致的相位延遲量θ。輸入端a、b的輸入光場分別為相干態(tài)和壓縮真空態(tài)。通過理論推導(dǎo)和仿真研究表明，相干態(tài)和壓縮真空態(tài)中的平均光子數(shù)相等時，該測量方案的相位靈敏度最佳并且可以漸近地達(dá)到海森堡極限。

三、哈工大課題組在量子探測領(lǐng)域的典型工作

（1）量子軌道角動量高靈敏激光探測技術(shù)

針對激光雷達(dá)在強(qiáng)背景噪聲影響下探測靈敏度降低的問題，利用量子軌道角動量對信號及噪聲進(jìn)行空間分離，相比經(jīng)典探測實現(xiàn)了靈敏度兩個量級的提升。

（2）量子軌道角動量高精度測距技術(shù)

針對現(xiàn)有精密測距體制的探測精度與探測速率負(fù)相關(guān)的問題，利用量子軌道角動量本征態(tài)的旋轉(zhuǎn)特性實現(xiàn)高精度單脈沖測距，測距精度達(dá)到納米量級。

（3）量子微多普勒探測技術(shù)

針對目前探測系統(tǒng)對微弱信號的測量受經(jīng)典探測極限限制的問題，只能判斷信號有無，無法進(jìn)行多維度探測。本課題組提出，量子微多普勒探測系統(tǒng)，通過量子場的相干性，探測微弱信號中攜帶的目標(biāo)的微小運(yùn)動信息，實現(xiàn)微弱信號的多維度探測。

（4）量子軌道角動量三維矢量速度測量

目前激光多普勒測速只能獲取目標(biāo)的徑向速度或徑向速度分量，無法獲取目標(biāo)的橫向速度。該研究利用量子軌道角動量特有的橫向多普勒效應(yīng)，通過量子軌道角動量光場多特征點(diǎn)頻移測量，實現(xiàn)目標(biāo)三維矢量速度的獲取。

（5）量子軌道角動量穿云透霧探測技術(shù)

針對激光主動探測受云霧等復(fù)雜環(huán)境限制嚴(yán)重的問題，云霧會產(chǎn)生強(qiáng)烈的后向散射，而且該后向散射又是和信號同波長的，傳統(tǒng)濾光方法無效，這致使探測信噪比和靈敏度大幅下降，甚至后向散射致使探測器飽和根本無法工作。該研究利用基于量子軌道角動量空間濾噪新手段實現(xiàn)穿云透霧的高靈敏度主動探測。

四、小結(jié)及展望

量子探測技術(shù)旨在將量子技術(shù)引入到經(jīng)典探測技術(shù)中，解決經(jīng)典探測技術(shù)無法解決的卡脖子難題，打破經(jīng)典限制提升性能擴(kuò)展功能。縱觀整個探測技術(shù)發(fā)展歷程，探測技術(shù)中信息維度不斷發(fā)生拓展，從最開始的單純只利用信號的能量，演化到后來綜合利用信號的頻率和相位信息，隨著信息維度的拓展，探測性能也得到了逐步的提升。現(xiàn)在量子探測技術(shù)也是在此整體發(fā)展的趨勢上通過量子信息技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展可利用的信息維度，從而提升其總體性能，催生出各種新興體制的量子探測技術(shù)。

作者簡介

張子靜，教授，哈爾濱工業(yè)大學(xué)光電新技術(shù)研究所副所長，長期從事量子探測以及新體制量子激光雷達(dá)等領(lǐng)域的研究。主持國際級科研項目9項，參與20余項。發(fā)表SCI論文30余篇，申請發(fā)明專利30余項，已授權(quán)15項。（zhangzijing@hit.edu.cn）

趙遠(yuǎn)，教授，哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合創(chuàng)新中心主任，中國光學(xué)工程學(xué)會理事，國家級主題專家。長期從事光子學(xué)光電探測、激光雷達(dá)、量子探測、微波光子學(xué)等領(lǐng)域的研究。發(fā)表SCI索引論文50余篇，EI索引論文100余篇，出版著作5部，獲得國家授權(quán)發(fā)明專利20余項。獲得全國發(fā)明專利展覽會金獎1項。

審核編輯：郭婷