可用于激光雷达的量子光学技术介绍

摘要：为了研究量子关联测量和Hong-Ou-Mandel干涉测量在激光雷达探测上的潜在应用，采用基于色散位移光纤制备关联双光子源的方法和全同光子的Hong-Ou-Mandel干涉原理，搭建了关联双光子产生平台和Hong-Ou-Mandel干涉平台，进行了理论分析和实验检测。

结果表明，制备出的关联双光子源，其双光子产生率最高约8KHZ，符合/偶然符合计数比最大值约为15，验证了双光子源的量子关联特性；测试了两路弱相干-单光子源的Hong-Ou-Mandel干涉，干涉可见度为0.41±0.01，若将一路光子信号作为激光雷达的回波信号，Hong-Ou-Mandel干涉测量可以将激光雷达的时间测量精度提升到0.95ps±0.03ps，对应空间分辨率为284.06μｍ±9.94μｍ。相关实验结果为后续研究不同体制的量子光学-激光雷达技术奠定了基础。

激光雷达是一种用于探测潜在目标的先进工具，在军民两用系统中都有着广泛的应用。其基本工作原理是将激光信号以定向方式发射到拟探测空间中，若该空间中存在潜在目标，发射的激光信号将被潜在目标漫反射回到雷达基站，并被接收装置检测到；进一步地，根据激光信号的发射角度、时间、频率以及被接收到反射信号的时间和频率等参量，激光雷达系统便可确定出潜在目标的方位、距离、速度和形状等信息。目前，激光雷达技术正面临着灵敏度、分辨率、抗干扰、反隐身能力等方面的技术瓶颈，已不能很好地满足日益增长的探测需求。

近年来，利用量子物理资源的激光雷达技术得到国内外研究机构的重视。该技术的基本思想是将量子力学的基本原理应用到激光雷达技术中，在灵敏度、定位精度和抗电磁干扰等关键性能上，实现对传统激光雷达的超越。由于使用到量子态叠加原理、任意量子态不可克隆原理、不确定性原理、量子增强探测和量子纠缠等量子物理基本原理、技术和资源，该新型雷达技术被称为量子雷达技术，其在雷达领域的应用前景正在接受各国研究人员的广泛论证。

具体地，量子光学技术有潜力在以下3个方面帮助激光雷达突破现有技术指标。一是将光学干涉增强、半导体非线性雪崩效应、超导材料相变机制应用到光电检测技术中，可以实现单光子水平的光信号探测，进而打破线性光电探测器在灵敏度和探测带宽之间的相互制约，可以提高激光雷达系统的灵敏度和探测距离。

二是将检测外界对光量子态扰动的方法应用到激光雷达系统中，可以帮助激光雷达系统主动识别出被探测目标对雷达信号所做的扰动，从物理层面上解决传统激光雷达系统存在的“截取重发”安全漏洞，实现抗电磁干扰能力强、更安全和更稳定的新型雷达系统。三是将量子光学技术中的量子纠缠、量子干涉等资源和技术引入到激光雷达系统中，把具有量子关联和纠缠特性的光子对（比如双光子偏振纠缠、能量时间纠缠、频率路径纠缠、多光子路径纠缠）作为新型雷达系统的照明光源，通过检测光子之间的量子关联和纠缠特性，可实现对隐身目标的探测和高精度的空间定位。

量子光学技术还能够提供基于Hong Ou Mandel（HOM）干涉的被探测目标空间信息检测方式，该检测方式使用全同光子的聚束特性，当全同光子波包宽度达到飞秒量级时，使用HOM干涉对被探测目标空间信息的分辨率可以达到十微米以下，可大大提升雷达系统的空间分辨率。 综上所述，将量子光学技术应用到雷达系统中具有十分重要的研究意义，可以在雷达系统的抗电磁干扰、高精度定位和目标识别等方面突破现有技术瓶颈，提升激光雷达的综合性能。针对量子光学技术研究在激光雷达领域的应用需求，目前作者所在课题小组已开展了量子光学技术的实验研究，取得了一定进展，已制备出基于色散位移光纤（dispersion-shifted fiber，DSF）的关联双光子源，测试了关联双光子源的量子关联特性；搭建HOM干涉检测平台，并进行了弱相干光单光子源的HOM干涉检测，实验结果为后续研究奠定了基础。

1 实验方案 

1.1 关联双光子源的制备 

关联双光子源实验系统结构如图1所示。

图1. 关联双光子源实验系统结构

图2. HOM干涉检测平台

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3 结论

针对激光雷达突破经典探测极限的需求，本文中研究了量子关联测量和HOM干涉测量在激光雷达探测上的可能应用。制备了基于色散位移光纤的关联双光子源，该关联双光子源的产生率最大约为8KHz，符合/偶然符合计数比最大值约为15；对弱相干光源进行了HOM干涉检测，干涉可见度达到0.41±0.01，用于激光雷达将提升空间分辨率到微米级（284.06μｍ±9.94μｍ）。在未来的工作中，作者将进一步提升关联双光子源的性能，优化HOM干涉检测平台，并研究偏振纠缠、能量时间纠缠、路径纠缠等双光子源。

编辑：黄飞