本科毕业论文---量子雷达正文.doc

装订线量子雷达二 一 五 届 毕 业 论 文量子雷达学 院：信息工程学院专 业： 通信工程姓 名： 吴波学 号：201124040125指导教师： 郭元术完成时间：2015年6月15日二一五年六月摘 要 雷达起源于20世纪上半叶，是一种远距离传感技术。虽然Heinrich Hertz于1886年首次发现无线电波可以从固体目标反射回来，但科学家一直到第一次世界大战才认识到，雷达可以成为一项新兴技术。在两次世纪大战期间，各个主要军事大国均开始从事雷达研究。进入21世纪后， 全方位大纵深的陆海空天电一体化作战已成为必然，太空将成为国际军事竞争的新的制高点。 当前雷达的缺点主要有：1)发射功率大(几十千瓦) ，电磁泄漏大；2)体积大，机动性差；3)对抗反隐身能力差；4)成像能力弱；5)信号处理复杂，实时性弱。从多年来雷达的发展的经历看，要想提高雷达的精确性和实现高质量的图像，雷达的发射电磁波频率要更高。最近( 20世纪70年代) 发展起来的超宽带雷达，就是采用冲激脉冲作为载波。要想解决上述雷达缺点还需发展新体制雷达。据此我们想到利用电磁波的粒子特性探测目标的思想。本文基于量子纠缠技术, 提出新的雷达探测方法，同时给出了具体的系统模型。 关键词：雷达,量子,量子纠缠,量子雷达ABSTRACT It isaremotesensingtechnology,radaroriginatesfrom thefirst half of20thcentury.HeinrichHertzin1886andfound thatradio wavescan bereflected fromsolidtargets,butcientistshave notbeen recognizeduntilthefirstworld war, whichcan becomeaneme-rgingtechnology.DuringWorldWartwo,themajormilitarypowerswereengaged in radarresearch. Entering the21st century,information warfare, full depth i-ntegration of land,sea and air strays operation has become inevitable, will become the new vantage point international military competition in space. Shortcomings of the current radar are:1) transmit power (tens of Watts), electr-omagnetic leakage;2) bulky, poor mobility; 3) anti-stealth ability is poor;4) imaging capability is weak; 5) complex signal processing, real-time performance weak.From the development of radar for many years of experience,to improve the accuracy andquality of images, radar sends out electromagnetic waves of higher frequency. Rece-ntly(in the 1970 of the 20th century) development of ultra-wideband radar impulseis as the carrier.To solve the above radar weaknesses also need to develop new ra-dar. Accordingly,we expect the use of particle characteristics of electromagnetic wave detection.Basedon the technology of quantum entanglement,new radar de-tection method and specificsystem model. KEY WORDS: radar, Quantum, quantumentanglement, quantumradar 目录第一章 绪论11.1 量子11.2 量子纠缠11.2.1 超距作用11.3 雷达的发展31.4 本章小结5第二章 量子雷达技术12.1 电磁波的量子特性12.1.1电磁波的量子特性分析12.1.2 人类图像处理系统分析12.2 量子雷达原理22.2.1 量子雷达工作原理22.2.2 量子雷达组成22.2.3 量子雷达的关键技术32.3 本章小结6第三章 量子纠缠及其在量子雷达中的应用73.1 量子纠缠详解73.2 量子雷达的分类83.2.2 非线性量子雷达93.3 本章小结12总结展望13致 谢14参考文献15第一章第一章 绪论1.1 量子 量子是一个物理量，如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。量子是现代物理的重要概念。最早是M普朗克在1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍。后来的研究表明，不但能量表现出这种不连续的分离化性质，其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。 量子一词来自拉丁语quantum意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”。在物理学中常用到量子的概念，指一个不可分割的基本个体。例如，“光的量子”是光的单位。而延伸出的量子力学、量子光学等更成为不同的专业研究领域。其基本概念为所有的有形性质是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的数值是特定的，而不是任意值。例如，在（休息状态的）原子中，电子的能量是可量子化的。这决定原子的稳定和一般问题。 在20世纪的前半期，出现了新的概念。许多物理学家将量子力学视为了解和描述自然的的基本理论。在量子出现在世界上100多年间，经过普朗克，爱因斯坦，斯蒂芬霍金等科学家的不懈努力，已初步建立量子力学理论。1.2 量子纠缠1.2.1 超距作用 早在牛顿以前，对于物体之间的作用就存在两种对立的猜想：一种认为物体之间除了通常的接触作用(拉压、冲击)之外,还存在超距作用。 超距作用是物理学历史上出现的一种观点。它认为（至少在早期）：相隔一定距离的两个物体之间存在直接的、瞬时的相互作用，不需要任何媒质传递，也不需要任何传递时间。早期的超距作用认为作用是瞬时的。有些物理学家提出“延迟超距作用”，认为源对某一粒子的作用是延迟了一段时间r/c的超越空间的直接作用，其中r是源和粒子之间的距离，c为真空中的光速。这种修正了的超距作用观点在说明某些现象时与场作用观点是等效的；但是,在说明另一些现象,特别是正反粒子的湮没时显得牵强附会。因此，它并未被一般物理学家所接受。目前已认识到自然界的基本相互作用有四种：引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。后两种基本相互作用，也和前两种一样，是通过场而相互作用的。1.2.2 量子纠缠的发展 量子纠缠是量子力学不同于经典物理最不可思议，最奇妙的特性。它反映了量子理论的本质：相干性，或然性和空间非定域性。“纠缠”这一词语可以追溯到量子量子力学的诞生之始。纠缠(entanglement)的概念最早出现在薛定谔1935年的薛定谔猫态的论文，猫的死态或者活态和50%的放射性原子核是否产生衰变放射出一个粒子相纠缠。同年爱因斯坦（A. Einstein）和波多尔斯基（B. Podolsky）还有罗森（N. Rosen）一起发表的 EPR 论文包含了纠缠的想法。爱因斯坦是量子力学的奠基人之一，但爱因斯坦一直对量子力学体系只给出几率性的预言感到不满意，从而对量子力学的完备性产生了质疑。1935年发表了题为能认为量子力学对物理实在的描述完备吗？的论文，他们以定域实在论观点为起点，提出了一个简易的理论实验，从而来找出量子力学的悖论。爱因斯坦他们觉得，在没有外界因素影响的条件下，如果能够预测一个物理量的值则它是一个客观实在，对应着一个物理实在元素；一个完善的理论系统应该包含它的领域内的所有物理实在元素。对于两个分离开的没有任何直接联系的两个系统，对其中一个系统中的一个物理量的测量不会对另外一个系统的物理量描述产生改变，即不存在超越距离的作用。根据这个理论EPR他们分析了有两个粒子组成的一个系统，他们指出每个粒子各自的动量和坐标算子不对易，但这两个粒子的位置算子差x1- x2和动量和p1-p2对易。所以他们得出结论：量子力学对物理实在描述的不完善或者存在一种神秘的超距作用（非定域效应）。人们对量子纠缠的研究一直没间断,1951年玻姆（D.Bohm）研究了一个双原子分子。这对双原子称作粒子A和B,他们具有1/2自旋,总自旋为零。分子的两个原子在某个内在因素的作用下反向飞出。正如玻姆说:“当这个内在因素消失后，两个原子之间是不相关的,但是对他们的自旋行为的描述还是有关联的。”即这两个原子仍处于自旋关联态。由此得出玻姆的设想包含了量子纠缠, 没有互相作用的两个系统，它们之间还是存在一定的联系。就爱因斯坦三人的观点，量子力学是一个不完备的理论。量子力学应当附加变量对其进行补充，来确保量子力学的理论因果性和定域性。1964年贝尔（J.S.Bell）根据两个条件定域实在论和隐变量理论导出了一个贝尔不等式。贝尔不等式是一个自旋相关度的不等式。贝尔指出，这个不等式约束了定域实在论和隐变量理论导出的理论，然而这个不等式却不能限制量子力学的理论。贝尔因而得出了一个结论：定域性和隐变量理论不能完美的解释量子力学的全部结果。这就是著名的贝尔定理！1989年Greenberger，Horne和Zeilinger（GHZ）研究了三个相互纠缠粒子组成的态。这个态叫做GHZ态并且他们得出了GHZ定理。三粒子GHZ态,他们有一组可观测量是相互对易的,测量这组可观测量,可以确定的、非统计的方式给出一个很好的结果，经典定域实在对于这个结果没法说明。GHZ 定理以等式的形式，一种确定的非统计的方式说明了定域实在论在量子力学中不适用。相对于两个粒子,三个粒子 GHZ 态对定域实在论有更大的冲击，进而支持了贝尔的结论。1990年David Mermin证明,随着量子纠缠态中粒子数的增加，经典关联和量子关联会越来越大,违背的Bell不等式的程度也会越来越大。2001年,在GHZ定理基础上,Cabello提出了无不等式的贝尔定理,即Cabello定理:对最大纠缠态中的一组力学量这组力学量的测量,量子理论确定的给出了一个与经典定域实在论相互违背的结果。经过近百年的发展量子理论越来越被我们所认可，而量子纠缠也越来越变得不那么神秘,量子纠缠的性质也逐渐的曝露在我们的视野里。量子纠缠源的制备技术越来越成熟,量子纠缠源的应用也会逐渐成熟。1.3 雷达的发展 1934年，美国海军研究实验室开发了世界上首部脉冲雷达，可实现目标探测并估算目标距离。此后，在第二次世界大战期间，雷达被证明是一个非常重要的战场工具。比如，英国首次应用雷达装备探测空中目标，可提前知晓敌方战机的来袭。尽管存有疑义，但雷达在“大不列颠之战”中为盟军提供了关键优势。自此之后，雷达在现代战场上和民用领域获得了广泛发展。 雷达利用信息的方式随着雷达技术的发展，不断发生变化，从单纯利用信号的强度信息，演化为综合利用电磁信号的频率和相位信息，即电磁场的二阶特性,通过发射电磁波二阶特性的应用，在调制方式上，出现了线性调频相位编码和捷变频等复杂信号形式，这些信号形式有效解决了传统雷达时宽与带宽的矛盾，并提升雷达抗干扰、抗杂波的能力。在检测技术上，催生了动目标检测（MTD）技术。空时自适应处理 （STAP）技术和脉冲多普勒体制(PD) ，这些技术利用目标和杂波在多普勒域上的差异，实现杂波中运动目标的有效检测，提升雷达抗杂波能力。 当前雷达系统的性能亟待改进，对隐身平台及其他目标的探测概率、识别与鉴别能力亟待提高。尤其是军事领域、空间探测、行星防御等领域。量子信息技术将成为改进远程传感器系统的关键技术。 量子雷达是将量子信息技术用于目标探测的电子设备，它是将量子信息调制到雷达信号中，通过识别雷达回波信号中，单个光子的状态信息变化而获得目标信息，从而完成目标探测的电子设备。从本质上来说，量子雷达并没有脱离经典雷达探测的理论体系，只是在利用量子理论进行系统分析时，对雷达中一些概念和物理现象，如“接收机噪声”等，具有全新的，更准确的理解。在此基础上，量子雷达从信息调制载体和检测处理等方面入手，提升雷达的性能。总体而言，量子雷达是对经典雷达理论的更新和补充，而不是颠覆和取代。首先,经典雷达通过对宏观电磁波相位和频率的操作和控制，获取其在空间、时间和频率等维度上的调制效应，而量子信息技术的信息载体为电磁场的微观量子和量子态。相比较而言，一方面，量子雷达将雷达探测发射信息的调制维度，由电磁场宏观的空、时、频特征，推广至可以表征“微观粒子相关关系”的量子态特征，对传统雷达探测的信息维度进行扩充另一方面，量子雷达将雷达探测接收信号的检测极限，由宏观电磁场能量检测的灵敏度，扩展为微观量子检测的“暗计数”。其次，经典雷达检测理论在经历了由能量检测向相参检测的扩展后，目前的检测机理是利用回波信号在宏观空#时#频域的相参性特征，以回波信号信噪比最大为准则，实现目标信号有无的检测和目标信号参数的估计。在经典电磁理论下，雷达接收机的噪声是由于器件中短电流引起的散粒噪声引起，而量子理论则认为部分噪声是由于入射信号场在量子层面的微观特性导致的，因此，量子雷达一方面可以通过相应的量子操作( 如压缩真空注入和相位敏感放大等)，降低接收端的噪声水平; 提升雷达性能；另一方面，可以利用信号在微观层面存在的高维度相参特性，通过量子检测与估计理论，利用目标信号与噪声在高维度上差异，可以进一步提升信号检测的性能，甚至突破经典检测与估计的理论极限。 2012年,美国罗切斯特大学光学研究所的研究团队成功研发出一种抗干扰的量子雷达，这种雷达利用光子的量子特性来对目标进行成像，由于任何物体在接收到光子信号之后都会改变其量子特性，所以这种雷达能轻易探测到隐形飞机，而且几乎是不可被干扰的。该技术的原理与量子密钥分配加密技术比较类似，在窃听者试图改变量子特性时就会暴露自己的位置。在本项研究中，工程师们使用新型侦测技术能够揭穿频率干扰等反制手段，来自纽约罗彻斯特大学的研究小组展示了如何通过光子的量子属性来获得先进的反隐身技术。对此，麻省理工学院的科学家评论认为这项新的侦测技术依赖于任何一个测量光子的行为总会摧毁它自身的量子特性，由此就可通过破坏原来光子的量子特征来重新模拟出虚假的光子属性，以达到欺骗目的。如果一架雷达隐形的飞机试图拦截这些光子并重新发送虚假信号，雷达回波仅相当于一只鸟的面积就可以掩盖自身的真实位置，但量子雷达在这一欺骗过程中也发现了敌方飞机的踪迹。这项新发明在技术工程上也有相似的运用，比如可以用类似的方式进行量子密钥加密，通过改变密钥的量子属性来达到目的。来自罗彻斯特光学研究所的科学家梅胡尔马利克(Mehul Malik)利用该技术对远程隐形轰炸机进行反射光子测试实验，测量反射信号的极化错误率。研究人员计划将来用该技术于识别隐身作战飞机，当截获到敌方防空雷达信号时，将信号的量子特征进行修改，并自动形成一只鸟的信号发送往敌方雷达，这样似乎可以达到传统的隐身目的，但新型量子雷达却很容易揭穿这一诡计。麻省理工学院的研究人员认为这是第一次使用量子力学研制的成像系统，成果是令人印象深刻的，可以不受到任何雷达干扰措施的影响。然而，量子侦测技术所需的设备可以由全球范围的实验室研制出来，但还没有装备到军队。1.4 本章小结 本章主要介绍了量子、量子纠缠、经典雷达及量子雷达的基本概念和发展，简要的以公式形式描述了量子纠缠，最后举例说明量子雷达的应用和前景，充分体现了量子信息技术在未来的重要角色。第 15 页 共 25 页第二章 量子雷达技术2.1 电磁波的量子特性2.1.1电磁波的量子特性分析实践证明: 微观世界遵循量子力学原理。光和电磁波都具有波粒二象性。光的波动性和粒子特性都很显著, 微波波段的电磁波, 波动性显著粒子性较弱。通过测量电磁波的波动性只能获得信号的频率和相位, 它们不能很好地反映出信息的空间序列特性。而测量电磁波的粒子性可以获得信号的动量和位移,它们具有信息的空间序列特性 , 作为提取图像信息具有天然的优越性。但是通过测量电磁波的粒子特性来获得信息有个致命的缺点:信号十分微弱。当今由于量子通信技术的兴起,这一致命弱点逐步得到了解决。而现实当中人的视觉系统其实就是一个测量光粒子特性的置。这使得利用电磁波的粒子特性传递信息有实际可参考的例子。2.1.2 人类图像处理系统分析 人类的大脑是一个性能优良的、并行的图像处理器。从人类大脑的神经网络处理信息的方式, 可以得到如下几点结论: 1) 人类的视网膜感应的是光波的粒子特性( 类似太阳能电池板) 。 2) 人类大脑的神经网络具有量子感应特性( 对单量子脉冲有反应) 1&2 。 3) 人类大脑的神经网络是并行处理图像信息, 且具有量子计算的自然而高效的并行特点。早在1996年Perus 博士3认为,量子波函数的坍缩(Collapse)十分类似于人脑记忆中的神经模式重构现象。哈佛大学的Gould则进一步证明了玻尔(Bohr)的量子过程的本体论解释和感知器的脑过程的完全性理论有同样的数学结构,这两个过程的动态方程都包含了一种场,即量子势或神经势， 基于量子势的量子过程和基于神经势的脑过程的动态方程有惊人的相似之处。从以上分析可以看出,人类大脑的神经网络具有量子计算的特点。通过模拟人类神经网络处理图像的机理来重新设计雷达,可以得到一个快速高分辨率,而技术上又相对可行的雷达成像系统。首先,人类视觉成像系统是并行的。目标各个点的光波(电磁波)反射来的信号通过光学透(眼睛),并行地照射在视网膜上,视觉细胞将光信号转化为神经脉冲信号, 经视神经束并行投射到大脑相应的区域。需要说明的是,人脑成像利用的是光的量子特性。光通过透光物质类似设置了一定的电磁场环境的光栅(晶体各原子具有相应的电场和磁场)，光子不被透光物质原子吸收。从物质的波粒二象性来看,波动性表达物质(能量)的弥散特性,传达的是一种背景信息；粒子特性表达物质（能量)的点特性,传达的是一种精确信息,虽然,低频电磁波波动性强于粒子特性,但是,它同样存在粒子特性,只不过很弱, 只要我们通过一定的测量手段是可以获得它的粒子特性,从而可以获得它所带回来的、精确的目标信息(点信息)。2.2 量子雷达原理2.2.1 量子雷达工作原理 通过以上分析, 我们可以给量子雷达下一个定义:利用电磁波的粒子特性进行远距离目标探测的系统。量子雷达完全可以模拟人类的成像系统。为了叙述方便,在这里说明一下: 我们把电磁波的一份能量叫做一个光子。由并协原理可知, 如果在一个装置中能够在物理上互相区分态, 则可探测到电磁波的粒子特性4。例如,利用计数器观察电子究竟通过双缝衍射试验中的哪个缝隙, 则电子的衍射图像就消失了,即我们只要选择了相应的测量条件,就只能测得表达相应特性(波动性或粒子性)的物量。根据以上原理,量子雷达的探测信号,是原子的电子从一个能级跃迁到另一个能级时,所发出的电磁波,具有特定的状态。一般说来,电子特定状态可以是电子的自旋。多个已知自旋状态的电子(相当于信号编码)发射的电磁波,被物体反射后进行接收。接收机通过分析电子吸收反射波后,其状态(自旋)的改变规律,就可获得目标信息。目前,电磁波与电子自旋状态之间的关系还需进一步研究。如果它们之间的关系只能保持在一定的相干时间内,则目标的探测必须在相干时间内完成。2.2.2 量子雷达组成量子雷达由发射系统和接收系统组成。如图1 所示,磁透镜发射光子。.。.。.。.改变靶电位编码。.。.。.。.改变靶电位编码编码图1 发射系统。-。-。-电位变化编码量子神经网络并行处理器输出磁透镜 图2 接收系统 发射系统主要由靶(n个原子组成)、量子编码系统和磁透镜组成。接收系统由磁透镜、接收靶和信息处理系统组成, 如图2。 编码采用量子避错码。量子避错码基于消相干中的集体效应。集体消相干和独立消相干具有本质的不同,最突出的一点是,对于集体消相干,存在相干保持态。相干保持态是指一类能在噪声环境下保持稳定的态。目前已经在核磁共振中演示了纠相位错的三比特5和两比特6纠错码。靶在设置好初始条件(编码表达的电磁场强度大小)后,使靶原子能级发生跳变发出电磁波(载波);电磁波碰到物体形成反射波。 接收靶工作原理类似激光产生原理: 接收到的反射波作为激光器的激励光源;通过反射腔使激光放大,从而达到接收并放大信号的目的。磁透镜类似人类的眼球的作用, 起到空间信息排列的作用。信息处理系统主要采用量子神经网络,以利用其天然并行计算的特点进行快速图像识别。2.2.3 量子雷达的关键技术 量子雷达的关键技术有如下几方面：量子信息调制技术、量子信息解调技术和量子信息处理技术。 （1）量子信息调制技术 如图3所示，量子信息调制技术包括：量子信息编码，量子信息调制，量子信号发射。量子信息编码量子信息调制量子信号发射量子信息编码量子信息调制量子信号发射 图3 量子信息调制技术 量子信息编码量子信息编码包括电子自旋态辨识和量子信息编码。电子自旋态辨识也称自旋极化，一般在实验室中采用的产生自旋极化的方法分为4类：1）光学激发的方法，利用半导体中的化学选择定则产生自旋极化；2）利用电学方法将极化从其它材料中注入到半导体中；3）通过含时外场在半导体中激发自旋极化；4）利用静电场通过自旋霍尔效应等方法产生自旋极化目前以上各种电子自旋态极化方法都不能100产生单一的状态。但这一关键技术进展很迅速。不久的将来就会获得重大突破。自旋驰豫和去相位的几个特征：1）只有垂直于自旋极化的噪声磁场才能导致自旋衰减，因为只有这样的磁场能转动自旋；2）在静磁场不存在时，自旋驰豫和去相位的速率正比于噪声关联时间（这个违背直觉的结果称为运动变窄）；3）静磁场抑制垂直于它的噪声磁场的作用。第三个特征可以这样理解，静磁场转动了自旋使得它有时候垂直，有时候平行于噪声磁场，从而使得噪声磁场的作用减弱了。目前最主要的问题是找到一种较容易产生自旋极化的方法，即要求左右旋电子运动规律有显著的区别；其次是如何获得较长的自旋驰豫时间，而增加驰豫时间最主要的是减小垂直于自旋极化的噪声磁场。对量子信息编码来说，微观粒子的状态空间是维的Hilbert空间。 实际的量子编码是构造一个维的Hilbert空间，其中的某些状态即是信息码。量子信息论中的信息载体 量子比特，可以处于0，1两个本征态的任意叠加态，而在对量子比特的操作过程中，两态的叠加振幅可以相互干涉，这就是所谓的量子相干性已经发现，在量子信息论的各个领域，量子相干性都起着本质性的作用，可以说，量子信息论的所有优越性均来自于量子相干性，但由于环境的影响，量子相干性将不可避免地随时间指数衰减，这就是困扰整个量子信息论的消相干问题。对于消相干引起量子错误来说，量子编码的目的就是为了纠正或防止这些量子错误。目前已获得了几种最重要的量子编码方案：1）量子纠错码；2）量子防错码；3）量子避错码。 量子信息调制研究表明，物质光谱的谱线（主频率）主要由电子的轨道角动量决定，而其自旋角动量决定谱线的宽度，即谱线的分裂。在量子雷达技术上，通过将电子的自旋与其激发出的电磁波的特性对应上（如电磁波的频率和极化形式)，从而实现电子的自旋态调制在电磁波上。 早期的光学测量都是采用光致发光的方法。从光吸收过程的选择定则可以知道，相反的过程，即发光的过程载流子的自旋极化会反映到发光的偏振度中。测量发光的极化度就可以知道载流子的自旋极化，发光的极化度等于电子自旋极化度的一半。 量子信息解调就是对微观粒子的状态进行测量；由于测量势必导致量子状态的改变，从而模糊了原有的调制信息。因此，在对量子信息调制时，必须考虑如何消除由于量子态的变化而引起的调制信息丢失。一般说来，如果调制器的工作方式就是一种所谓的幺正操作，则器件对量子状态的改变是“透明的”，能够通过解调器（另一种幺正操作）确定其相应的变化。下面给出一个量子信息调制的基本思想：将具有特定自旋态的电子序列（即经过编码的）投射到半导体器件上，使电子激发到导带上；半导体成为空穴性材料。相应的发射出的光子携带了电子的自旋状态信息，从而完成了信息的调制和发射。信号发射由物质的可知性给出一个公理：任何物质系统的相互作用信息必定准确地传递给周围的观测者。由此可以得到通信领域的一个猜想：任何两个物质系统之间至少存在一条不失真的单光子信道。因此，单光子信道是最好的信道。它不受干扰且必定被环境广泛反射形成多条回波信道，实际上，这反映出信源（辐射源）与信宿（目标）的相互作用。因此，信号发射部分可以直接发射调制信号，不必担心信号弱而解调不出目标信息。 （2）量子信息解调技术 如图4所示，量子信息解调技术包括：量子信息解调，量子信息译码。量子信息调解量子信息译码接收信号去信息处理器 图4 量子信息解调技术 量子信息解调解调主要涉及发射的光子（电磁波）所携带的，电子自旋态的识别问题。主要由单光子接收机（聚束和排序）和识别器件组成。 实际上大多数的光子都是由空穴产生的，因此，根据泡利不相容原理（每个原子能级（类似轨道）上只能存在两个自旋相反的电子），有基本思想：发射完信号而形成的空穴器件作为接收器；它在一定的时间内，需要由相同状态的光子激发，使“匹配”的电子回到空穴中发射出的光子序列经目标反射后被接收到，其能量状态刚好激发器件的电子由导带回到禁带上，这样就完成了电子自旋态的识别这里需指出的是，信道（包括目标对光子的反射）对光子的作用（变换）可以认为是一守恒算符，如果解调机制可看做是与其对易的算符集，则根据前述定理，回波光子状态没有简并，可通过能量模式精确识别回波光子，从而完成目标的探测。但是这种“守恒”状态有一定的“寿命”，所以必须在一定时间内完成发射和接收。由于电子的自旋如同其质量、电荷一样也是内禀量，用电子的自旋态作为量子信息载体具有独特的优势：每个电子的自旋态携带其内禀信息，不容易被杂质或缺陷散射破坏；自旋态也容易通过调节外部的电场或磁场来进行控制。因此，可以想见回波携带的自旋状态信息不会受到“不可识别”的影响。这使得量子雷达具有很强的抗干扰能力。目前，实验上主要是通过光学方法或电学方法来探测自旋极化。其中光学方法包括光致电致发光、Hanle效应、时间分辨的Faraday旋转和Kerr效应7。而电学方法，一般是利用铁磁材料和半导体界面的自旋依赖的输运性质，比如测量通过不同磁化方向的铁磁电极的电阻的差别给出自旋极化度。此外，在极低温量子点系统中，利用Zeeman劈裂的两个自旋态的能量差可以选择性的让处于其中一种自旋态（能量较高）的电子从量子点中隧穿到电极中形成电流，处于另一种自旋态的电子则因为能量较低被Pauli阻塞所抑制而不能隧穿到电极中形成电流，由此方法可以得到电子的自旋信息，这也是一种电学测量方法。 量子信息译码由于微观粒子的状态极易改变，量子编译码主要涉及如何纠错问题。对于量子雷达译码主要涉及以最大概率确定接收到的信号是自己的发射信号。此外，译码还主要涉及信息处理器是常规计算机还是量子计算机。如果是量子计算机，则量子信息解调后直接送入量子计算机，量子并行运算的优势得以保存。如果是常规计算机，则量子信息解调后还需进行所谓的格式转换，这样会失去量子计算的优势。从人的视觉信号的解调来看，人的视神经网络是递进传递光信号，即将不同时刻到来的光信号进行关联解调（综合在一起）。量子理论告诉我们：一个算符在它自己的本征态作成的表象中，其矩阵为对角阵，对角线上的元素即为其本征值。因此，在信息解调时可以利用已经接收到的信号，组成解调矩阵解调即将到来的信号。这个解调矩阵利用接收到的信号不断更新数据。 (3)量子信息处理技术信息处理技术分常规计算机处理和量子计算机处理。采用量子计算机处理，其运算速度可以在分钟的时间内破解DES(the date encryptionstandard)体系，而采用经典计算机处理，若以每秒10000000密钥的运算速率操作，经典计算需要1000y。目前,量子计算机还没有研制出来，需要将量子信息转换为常规计算机可识别的格式，这种转换丧失了量子计算的本质的并行处理功能，因而没有量子计算机的处理速度。当前量子信息处理技术是通过构造量子算法和量子神经网络而获得一定的应用。如果用现有的计算机能实现幺正变换，即可实现量子逻辑功能，从而实现了量子运算。2.3 本章小结 本章主要描述了量子雷达与人眼的原理相关性，并阐述了其原理，重点解读了量子雷达的关键技术，如量子信息调制技术、量子信息解调技术和量子信息处理技术等。从而理解了量子雷达的技术攻关问题。第三章 量子纠缠及其在量子雷达中的应用3.1 量子纠缠详解 量子纠缠8是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象，虽然粒子在空间上可能分开。纠缠是关于量子力学理论最著名的预测。它描述了两个粒子互相纠缠，即使相距遥远距离，一个粒子的行为将会影响另一个的状态。当其中一颗被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化。在物理学中，量子纠缠是指存在这样一些态:一、A,B,C，在t （2）时，它们的状态由Hilbert空间HA，HB，HC.，中的矢量| (t)A,| (t)B，| (t)C,所描述，由A，B，C空间构成的量子系统ABC则由Hilbert空间HABC.=HA HB HC.中矢量| (t)A，| (t)B，| (t)C所描述，则这样的态被称为比Hilbert空间的直积态。否则称态| (t)A，| (t)B，| (t)C,.是纠缠态。 也就是说，如果存在纠缠态，就至少要有两个以上的量子态进行叠加。量子纠缠说明在两个或两个以上的稳定粒子间，会有强的量子关联。例如在双光子纠缠态中，向左（或向右）运动的光子既非左旋，也非右旋，既无所谓的x偏振，也无所谓的y偏振，实际上无论自旋或其投影，在测量之前并不存在。在未测之时，二粒子态本来是不可分割的。所谓的纠缠度是指所研究的纠缠态携带纠缠的量的多少。对纠缠度的描述，实质上是对不同纠缠态之间建立定量的可比关系。纠缠状态所纠缠的粒子数量越多，对经典物理学的偏离越明显，获得有用量子效应的机会就越大。所以，在量子信息领域中，纠缠通常被看作是非局域的“信息源”。于是，如何对纠缠定量化就显得十分重要。但对于两体纯态而言，它仍是两体纯态唯一合理的纠缠度定义。对于多体纠缠度的描述的研究到目前为止仍没有得到真正的解决，人们仍未放弃寻找一种物理意义上更为鲜明、简单、易于求解的纠缠度的描述。所谓的纠缠度是指所研究的纠缠态携带纠缠的量的多少。对纠缠度的描述，实质上是对不同纠缠态之间建立定量的可比关系。纠缠状态所纠缠的粒子数量越多，对经典物理学的偏离越明显，获得有用量子效应的机会就越大。所以，在量子信息领域中，纠缠通常被看作是非局域的“信息源”。于是，如何对纠缠定量化就显得十分重要。但对于两体纯态而言，它仍是两体纯态唯一合理的纠缠度定义。对于多体纠缠度的描述的研究到目前为止仍没有得到真正的解决，人们仍未放弃寻找一种物理意义上更为鲜明、简单、易于求解的纠缠度的描述。量子纠缠并非信息传递，事实上信息不可能从一个粒子传到另一个粒子。即使用光速将它们分开，信息也不可能在测量时从一个地方传到另一个地方。 量子力学是非定域的理论，这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实，因此，量子力学展现出许多反直观的效应。量子力学中不能表示成直积形式的态称为纠缠态。纠缠态之间的关联不能被经典地解释。所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题，并在量子计算和量子通信的研究中起着重要的作用。近期，来自格里菲斯大学的霍华德威丝曼（Howard Wiseman ）9教授和东京大学进行合作，通过一系列研究得出结论证明爱因斯坦关于“量子纠缠”现象理论可能是错误的。量子纠缠是指在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子，即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都能“感知”和“影响”对方的状态。尽管爱因斯坦最早注意到微观世界中这一现象的存在，但他却不愿意接受它。 纠缠态作为一种物理资源，在量子信息的各方面，如量子隐形传态、量子密钥分配、量子计算等10都起着重要作用。然而，受实验条件限制和不可避免