量子雷达:开启反隐身作战新战场

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  继我国自主研制的世界首颗量子科学试验卫星“墨子号”成功发射后,我国科学家在量子科学领域再传捷报。近日,由电子科技集团第14研究所领衔研制的量子雷达取得突破性进展,完成了量子探测机理、目标散射特性研究以及量子探测原理的实验验证。

  出品:科普中国

资料图:图为量子雷达探测隐形目标的工作原理示意图,量子雷达被喻为未来隐形战机的“克星”。(拖拽/保存图片可查看大图)

  量子雷达是基于量子力学基本原理,主要依靠收发量子信号实现目标探测的一种新型雷达。量子雷达具有探测距离远、可识别和分辨隐身平台及武器系统等突出特点,未来可进一步应用于导弹防御和空间探测,具有极其广阔的应用前景。作为洞察未来战场的“千里眼”,量子雷达技术势必掀起各军事强国变革雷达技术的时代潮流。

  作者:瑷敏工作室

(中国国防报2月12日报道)近日,美国一家智库的研究报告指出,人类历史上第二次量子革命已开启,将诞生一系列量子技术。一些量子技术已经在探测、通信、计算等领域初显身手,并逐步应用于军事领域,这将对现代战争产生深远影响。

  古稀之年——

  策划:白璐

■量子探测:将引发战场侦察巨变

  传统雷达渐遇技术瓶颈

  监制:光明网科普事业部

量子探测主要是利用量子纠缠等特性,实现对战场目标感知、测距、定位及成像等。当前,量子探测主要应用于量子雷达、量子成像和量子导航等领域,受到多国军队的青睐。

  自1934年美国海军研究实验室开发出首部脉冲雷达以来,世界各国竞相发展雷达技术,经历了70余年的探索、改进和完善之路。随着隐身技术和电子干扰技术的迅猛发展,具有较强隐身能力的隐形战斗机逐渐“飞入寻常百姓家”,传统雷达遭遇前所未有的挑战。

  自1934年美国海军研究实验室开发出首部脉冲雷达以来,已进入耄耋之年的传统雷达技术在各类隐身“新秀”面前显得愈发力不从心。量子雷达是基于量子力学基本原理,主要依靠收发量子信号并采用量子纠缠态实现目标探测的一种新型雷达体制。作为一种颠覆性技术手段,量子雷达能轻易突破传统雷达的性能极限,具有探测距离远、可识别和分辨隐身平台及武器系统等突出特点,未来可进一步应用于导弹防御和空间探测,具有极其广阔的应用前景。

量子雷达,被喻为洞察千里的“火眼金睛”,能够有效探测隐身飞机和隐身导弹。相比传统雷达,量子雷达可在复杂背景噪声干扰中剥离出探测目标,且“精准无比”,即便是隐身战机,量子雷达也可对其行踪做出准确判断,强大的反隐身技能使其成为隐身战机的“克星”。

  美国的B-2“幽灵”战略轰炸机、F-22“猛禽”战斗机和F-35“闪电II”战斗机以及俄罗斯的T-50战斗机都具备极强的战场隐身能力。

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据估算,仅装备单光子量子雷达制导超远程空空导弹的作战飞机,理论上攻击距离可提升至千公里之外,实现超视距作战向千公里量级的非接触式战争转变。同时,由于对电磁波的依赖大为减少,量子雷达可有效避开利用探测电磁波开展工作的反辐射导弹攻击,进一步改变现有导弹作战机理和作战模式,使战场作战形态向“量子化”转变。未来,利用量子成像传感器进行战场观测,可有效消除现有技术对成像产生的干扰,并过滤大气气流等干扰因素,形成普通雷达观测设备无法直接获得的战场图像。

  隐形飞机主要通过波束控制和隐身涂料达到“隐身”目的。一方面采用边缘平行、武器系统内置、减少平面和棱角等方式降低雷达对飞机的探测能力,另一方面可通过吸波材料吸收雷达照射的电磁波,从而使隐形飞机如同鸟儿隐藏在茫茫空天之中。传统雷达不仅会因雷达探测回波减少而探测不到有效信号,还有可能因遭受虚假信号的干扰而产生误判。

  量子雷达

英国军事专家表示,一旦量子雷达服役,隐身战机将再无优势可言。量子雷达将会引领人类战场探测进入一个全新的时代。

  传统雷达受制于经典电磁波理论限制,在探测隐身目标、对抗干扰和诱饵方面遇到了技术瓶颈,在面对隐形战机时常常变成“睁眼瞎”。提升雷达针对隐身平台和其他目标的探测、识别以及分析鉴别能力,研制可探测隐形飞机的新一代雷达成为各军事大国加强防空力量的当务之急。目前,较为常见的隐形战机探测方法包括无缘探测雷达、米波雷达和双基地雷达等。

  传统雷达渐入“迷茫期”

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  道高一丈——

  魔高一尺道高一丈。隐身与反隐身的战场较量好像从未停歇。随着隐身技术和电子干扰技术的迅速发展,具有较高隐身能力的隐形飞机逐渐“飞入寻常百姓家”。传统雷达主要通过发射强大电磁脉冲,利用电磁波在金属目标上会产生回波原理,使用高灵敏度的接收机对电磁脉冲回波进行接收。现有的隐形飞机恰恰利用了雷达的“软肋”,主要通过波束控制手段和采用隐身涂料来降低雷达对飞机的探测能力。

  隐形战机“克星”将至

  针对传统雷达存在的技术难点,量子信息技术恰好可以与雷达“强强联合”产生“优势互补”,可重点解决传统雷达在探测、测量和成像等方面的技术瓶颈,有望为雷达带来反隐身作战的“第二春”。从本质上来说,量子雷达固然是“弄潮儿”,但也并没有“跳出”经典雷达探测的框架体系,只是利用了更为先进的量子理论进行系统分析,对雷达中诸如接收机噪声等概念和物理现象进行了全新的、更准确的理解。

  量子雷达是一种利用量子现象进行目标状态感知和信息获取的特殊传感设备,可利用量子纠缠态进一步提升探测灵敏度,有望解决传统雷达存在的一系列问题。

  有关量子雷达的研究,最早可追溯到从上个世纪60年代,人们对于量子信号与量子检测在雷达系统中的理论分析。自2000年开始,量子雷达系统的研究开始逐步系统化,并主要围绕量子纠缠与干涉、量子照明和量子相干态接收三个方面展开。在量子相干态增强雷达方面,美国国防部高级研究计划局于2007年启动了“量子传感器项目”,旨在进一步提升量子雷达的成像分辨率。

  美国国防部高级研究计划局先后提出了开展量子雷达研究的“量子传感器计划”和“量子辅助传感和读出”项目,对量子雷达的增强技术进行了有效探索。此外,美国麻省理工、NASA、海军实验室、空军实验室等机构都相继开展了量子雷达的研究工作。2012年,在美国国防部高级研究计划局“单光量子信息”项目资助下,美国罗切斯特大学开发出了抗干扰量子雷达,该雷达利用偏振光子量子特性在接触物体后发生改变这一原理,可对隐身目标进行探测和成像。到2014年,美国陆军研究实验室开展了可穿透烟雾和热浪的量子成像传感器研究,并取得了多项创新技术专利,将进一步推动量子雷达成像系统的发展。

  战场“火眼金睛”如何打造

  量子雷达可探测、识别和分辨射频隐身平台及武器系统,具有广泛的应用前景。目前的量子雷达系统主要包括利用单个光子照射目标的单光子量子雷达和发射量子态光子的纠缠态光子量子雷达。相比于单光子量子雷达,纠缠态光子量子雷达具有分辨率更高、有效探测距离更远等优势。随着量子雷达技术的不断成熟,未来部署到地面和水面作战舰艇的量子雷达,可对几乎所有的空中目标进行探测,并可持续跟踪目标的轨迹和行踪。其强大的反隐身技能是隐形战机的“克星”。装备了量子雷达的作战飞机,相当于拥有了一双战场“远视眼”,可实现对极远距离目标的提前打击,作战潜力惊人。

  量子雷达是一种利用量子现象进行目标状态感知和信息获取的特殊传感设备。量子雷达可探测、识别和分辨射频隐身平台及武器系统,具有广泛的应用前景,甚至被公认为是未来最有效的反隐形手段之一。因此,以美国为首的西方国家为积极抢占军事科技制高点,相继投入大量人力物力开展量子雷达技术研究。

  火眼金睛——

  目前,量子雷达技术仍处于研究和探索阶段。美国国防部高级研究计划局先后提出了开展量子雷达研究的“量子传感器计划”(QSP)和“量子辅助传感和读出”(QuASAR)项目,对量子雷达的增强技术进行了有效探索。此外,美国麻省理工、NASA、海军实验室、空军实验室等机构都相继开展了量子雷达的研究工作,俄罗斯也不甘落后,正在研发可探测各种隐身技术战机的量子雷达系统。

  量子雷达颠覆未来战争

  如果我们用“手术刀”为量子雷达来次“解剖”,它的系统架构主要就是量子发射机和量子接收机。量子发射机可产生信息物理载体的电磁波,对电磁波进行偏振态、纠缠态、压缩态等量子态的调制,最终确保量子信号的分束与整形。量子接收机包括前端接收系统和量子信号检测模块。前端接收系统就是量子雷达的“千里眼”,可完成量子信号的接收、滤波和放大,量子信号检测就是量子雷达的作战“大脑”,回波量子是什么状态、探测目的有哪些特征,都靠着信号检测系统为我们一探究竟。

  事实上,即使是最先进的隐形战斗机,也不可能在雷达面前消失的无影无踪。

  颠覆未来反隐身作战

  传统雷达采用低频段探测、增大功率口径和驻留时间等方式,以提升针对隐身目标的检测能力。相比于传统雷达,量子雷达对复杂环境下小目标具有更好的探测能力,可在高背景噪声中识别出远距离微小信号。即使隐形战机发送虚假信号进行伪装,量子雷达也可轻易发现欺骗过程和敌方的干扰行动,并对目标飞机行踪做出准确判断。

  事实上,即使是最先进的隐形战斗机,也不可能在雷达面前消失的无影无踪。传统雷达采用低频段探测、增大功率口径和驻留时间等方式,以提升针对隐身目标的检测能力。相比于传统雷达,量子雷达可以利用量子纠缠提高探测灵敏度,对复杂环境下小目标具有更好地探测能力,可在高背景噪声中识别出远距离微小信号。即使隐形战机企图拦截量子雷达信号并发送虚假信号进行伪装,量子雷达也可轻易发现欺骗过程和敌方的干扰行动,并对目标飞机行踪做出准确判断,是当之无愧的战场“火眼金睛”。

  量子雷达的出现,使战机无法逃避有效侦察和跟踪。鉴于量子雷达强大的反隐身和抗干扰能力,目前美国海军和陆军都进行了大量的量子雷达研究工作。据估算,仅装备了单光子量子雷达制导的超远程空空导弹的作战飞机,理论上攻击距离就可以提升至千公里之外实现超视距作战向千公里量级的非接触式战争转变。同时,由于对电磁波的依赖大为减少,量子雷达可有效避开利用探测电磁波开展工作的反辐射导弹攻击,将进一步改变现有导弹的作战机理和作战模式,使战场作战形态向“量子化”转变。

  量子雷达的出现,可最大限度避免战机逃避有效侦察和跟踪。采用量子纠缠态探测目标的量子雷达,可使雷达回波信噪比得到显著改善,进一步全面提升雷达的探测性能。引入了量子计量技术的干涉型量子雷达,可依靠高度纠缠的量子态对目标参数进行测量,灵敏度极高,可充分提升雷达测距、测角和成像分辨率。

  量子雷达目前遇到的主要技术难题是量子信息的调制与解调。微波粒子量子态的纠缠特性、相干性以及携带量子态信息载体的能量微弱性,都进一步增加了量子信息传输和处理的难度。实现量子信息高效、稳定的空间无线传输,着力提升量子雷达的实际工程化水平,是仍需深入研究的问题。

  鉴于量子雷达强大的反隐身和抗干扰能力,目前美国海军和陆军都进行了大量的量子雷达研究工作。据估算,仅装备了单光子量子雷达制导的超远程空空导弹的作战飞机,攻击距离就可以提升至几千公里之外,实现超视距作战向千公里量级的非接触式战争转变。同时,由于对电磁波的依赖大为减少,量子雷达可有效避开利用探测电磁波开展工作的反辐射导弹攻击,将进一步改变现有导弹的作战机理和作战模式,促使战场作战形态向“量子化”转变,成为未来反隐身作战的“颠覆者”。(以上图片来源于网络)

  未来,利用量子成像传感器进行战场观测,可有效消除现有技术对成像产生的干扰,并滤过大气气流等干扰因素,可形成普通雷达观测设备无法直接获得的战场图像。基于量子雷达技术的地面固定雷达、机动和舰载雷达以及机载、弹载雷达将“全面开花”,在战略预警、区域防空、空中侦察以及精确打击中得到广泛应用,成为未来战争的“颠覆者”。

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