一周前，第33届夏季奥运会在巴黎的绚烂烟火中降下帷幕，我国奥运代表团以40枚金牌的辉煌战绩，书写了在奥运会境外赛场上的历史最佳纪录。
奥运圣火虽已熄灭，但那些关于中国奥运健儿挑战极限、追求卓越的瞬间，仍在我们心中回响。在激动的心情尚未平息之际，中国量子科技领域也传来了令人振奋的消息——在量子激光雷达领域，中国科大取得了“更远、更细、更快、更准”的飞跃性突破！
8月15日，中国科学技术大学、合肥国家实验室、国耀量子雷达科技有限公司组成的研究团队在一区期刊《ACS Photonics》上发表题为“Coherent TWo-Photon Atmospheric Lidar Based on Up-Conversion Quantum Erasure”（基于上转换量子擦除的相干双光子大气激光雷达）的研究论文，王冲副研究员、杨可欣博士为论文共同第一作者，薛向辉教授为论文通讯作者。
中高层大气与空间环境的耦合一直是空间物理学的重大前沿问题，同时，中高层大气也是中高空高速飞行器等新型武器的飞行区域。但中高层大气气体稀薄，其中自由电子更为稀疏，导致各种遥感回波信号微弱，探测极其困难。基于以上科学研究和军事应用的需求，解决中高层大气的探测问题显得尤为重要和迫切。
窦贤康院士曾介绍说，“精确的大气风场探测对数值天气预报、气候模型改进、军事环境预报、生化气体监控、机场风切变预警等具有重大意义。多普勒测风激光雷达被公认为全球大气风场遥感的最佳方法，也是世界气象组织列出的最具挑战性的激光雷达之一。我们通过探测大气气溶胶和风场，不仅能监测大气污染状态、实时发现大气污染源，还能对雾霾的形成和演化进行预报。”
相比于传统激光雷达，以“看得远、看得细，测得快、测得准”作为追求目标的单光子激光雷达实现了单光子灵敏度的探测，性能有了极大的提升。然而，利用更多量子精密测量原理的量子雷达理论仍处于发展阶段。
在这篇论文中，研究团队利用上转换检测器完全擦除相位和颜色差异，允许观察独立来源的光子之间的HOM干涉，且无需延迟调谐或有源同步。量子擦除的集成增强了时空域和频域的带宽，为高达数十公里/秒的超快连续速度检测铺平了道路。该演示仅使用以前水平的14%的脉冲能量，使风探测范围达到16公里，标志着遥感能力的巨大飞跃。
三种主流量子雷达
Marco Lanzagorta在《Quantum Radar》一书中给出了量子雷达的定义，即量子雷达可作为一种对抗检测系统，利用微波光子和某种形式的量子现象来提高探测、识别和分辨目标的能力。根据不同的探测信号方式将量子雷达分为三类：干涉式量子雷达（quantum interferometry radar）、量子增强激光雷达（quantum enhanced LADAR，LADAR代表LAser Detection And Ranging）以及量子照明雷达（quantum illumination radar）。
干涉式量子雷达系统的模型基于马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder interferometer），其原理是通过测量两条光路的相位差来获取目标信息，具有较高的测量精度。
其次是今天的主角——量子激光雷达。一般来说，遥感系统可以同时在横向和纵向上获得目标的空间信息，因此，具有高分辨率的空间信息对目标分类、图像处理和目标跟踪是必不可少的。在晴朗的天空下，由于激光波长比微波更短，激光雷达系统在1～100 km范围内的地面应用中具有更高的空间分辨能力。为了进一步提高激光雷达的空间分辨率，引入了非经典态，虽然光的量子特性在有损耗的环境中会被破坏，但是将非经典效应用于光学接收机仍旧会获得比普通接收系统更好的性能。为了避免发射的量子态信号与目标相互作用而产生退相干作用，量子增强雷达采用与普通激光雷达完全相同的发射端，而在接收端使用了量子增强技术，故该方案可通过改装激光雷达来实现。
最后，再简单讲解一下第三种量子雷达。为了确定目标的位置，通常采用光直接照射的方式来探测目标的反射信号。但是，目标的距离、背景噪声以及热辐射对传统直接探测方法的灵敏度影响较大。因此，2008年Seth Lloyd提出了量子照明雷达，这是一种具有革命性的光子对抗量子传感技术，该技术能够在嘈杂和损耗大的环境中提高光的探测灵敏度，2013年由意大利的E. D. Lopaeva首次实现了量子照明雷达实验，其装置图如下图所示。该系统的装置与单光子雷达和纠缠光子雷达相似，它是将一对纠缠光子对作为量子纠缠光源，其中一个纠缠光子向目标发射出去，剩下一个光子留在雷达接收机中。两个光子的这种关联性很高，即使在高损耗及强杂波的环境下，依旧能有效探测目标。量子照明雷达的探测方案与干涉式量子雷达有所不同，量子照明雷达不需要测量相位，只需要一个光子计数器即可。量子照明雷达提供了利用纠缠态的目标探测方法，其特性比经典照明目标探测更有意义。
此次进展
薛向辉课题组利用HOM干涉和高阶量子擦除使得来自不同光源的独立光子展现出量子干涉现象，并基于该理论开发了一种基于上转换探测器的双光子干涉大气激光雷达系统。这种方法具有单光子灵敏度、高量子效率、大检测带宽和多波长适用性。使用量子擦除结合光学压缩采样方法，该量子雷达系统能够以MHz的采样率记录超过17 GHz带宽（对应13km/s）的光学信号，解决了超高速目标连续检测中弱信号的高采样率和大数据存储量问题，为实现高达数十公里/秒的超高速连续速度检测铺平了道路。
图：带宽扩展的实验结果。超过17GHz的探测带宽，频率探测误差≤60MHz（波长计误差60MHz）。
在外场实验中，量子干涉雷达系统使用70μJ能量实现了水平16km距离的风场探测，相比于现有激光雷达系统，风场探测一致性R2=0.997的情况下实现了7倍探测灵敏度的提升。
图：实验装置
该技术的核心在于利用双光子干涉现象，并通过量子擦除抑制噪声提高信噪比。双光子干涉是一种量子光学现象，在这种现象中两个光子之间会发生干涉，即使它们不同时存在也能观察到相关性，稍后将详加说明。量子擦除则是一种量子力学过程，可以通过操纵额外的光子来消除或恢复双光子之间的量子纠缠状态。
远距离测风证明，该技术在弱信号测量方面具有巨大的潜力。无需使用频率鉴别装置即可检测光学频率，这是一种全新的检测方法，结合了直接探测和相干探测的优点。该雷达系统已经实现了光纤集成和紧凑化，未来有可能应用于连续遥感测量超高速移动软硬目标。
审稿人对该工作给与了高度评价，称赞“手稿介绍了一项在大气激光雷达技术领域的重要进展”（the manuscript presents a significant advancement in the field of atmospheric lidar technology）、“特别重要的是，该方法相对于传统技术提升了接近1个数量级的性能”（Specifically, they demonstrated that the efficiency is one order of magnitude higher than traditional detection methods）。
洪廷基-区泽宇-曼德尔效应
洪廷基-区泽宇-曼德尔效应（Hong-Ou-Mandel (HOM) effect）由量子光学开山鼻祖、美国罗切斯特大学教授Leonard Mandel及其两位学生Chung Ki Hong（홍정기/洪廷基，前韩国浦项科技大学物理系教授）、Zheyu Ou（区泽宇，现香港城市大学物理学系讲座教授）于1987年发现，是量子光学中的一种双光子干涉效应，如今已成为区分量子现象与经典物理的关键基石。HOM干涉不仅在精确的时间测量和量子态分析方面发挥着基础作用，还成为了量子信息处理的各种应用中的核心。基于HOM干涉的量子精密测量理论和应用创新，已是当下的研究热点之一。
HOM效应指的是当两个不可分辨的光子分别从不同输入端口进入50:50分光器之后，总是从同一端口射出。具体而言，当偏振、频率、时空、颜色等模式都相同的两个光子分别位于分束器的不同输入模式时，存在以下四种可能：①从上方进入的光子被反射，从下方进入的光子透射；②两个光子均透射；③两个光子均被反射；④从上方进入的光子透射，从下方进入的光子被反射。由于分束器的状态并不“记录”四种可能性中的哪一种实际发生，费曼规则规定必须在概率幅层面上将所有四种可能相加。此外，来自分束器底部的反射会引入相对相移π，产生了因子-1，这是分束器的可逆性（即量子演化的幺正性）所要求的。由于两个光子全同，上面提到的因子-1会确保②、③对应的两项相互抵消，因而无法分辨这两种输出状态。这种相消可以解释为“透射/透射”、“反射/反射”这两种可能的相消干涉。因此，如果在每个输出端口各装一个探测器，那么永远无法观察到②、③这两种情形，也就是说，两个光子将等概率地同时出现在两个探测器中的某一个之中。如果两个光子变得更容易分辨（例如因为它们在不同时刻到达或具有不同波长），那么它们各自进入不同探测器的概率将会增加。这样，干涉仪重合信号就能精确测量带宽、路径长度和时间。
图：在振幅层面上，将双光子反射和透射的四种可能性相加。
由于HOM效应依赖于光子和二次量子化，因此无法完全用经典光学解释，故而该效应在量子信息处理中至关重要。
中科大在量子激光雷达上的“多个首次”
激光雷达应用的首要前提是人眼安全。2007年，美国国家大气研究中心报道了工作波长1.55微米的人眼安全的气溶胶激光雷达。该近红外波长的单个光子的能量仅为1.28×10^-19焦耳，而量子测风激光雷达需要探测单个光子6.67×10^-10的相对多普勒频移，才能实现0.1米/秒精度的径向风速测量。
传统观点认为，只能提高激光雷达的出射功率和增大望远镜的面积，才能提高激光雷达探测信噪比。由于上述激光雷达量子效率低、噪声高，其发射激光脉冲能量达0.125焦耳，望远镜直径0.4米，导致结构复杂、重达数吨、功耗大。由于光学破坏阈值限制和大口径望远镜加工工艺限制，传统激光雷达的性能已经达到顶峰。
2015年4月，中国科大首次实现了单光子频率上转换的气溶胶激光雷达[Optics Letters, 40, 1579 (2015)]。利用自主研制的周期极化铌酸锂波导，将雷达接收的1.55微米单光子与2微米的连续泵浦光发生和频，用硅探测器对产生的0.863微米的光子进行探测。此时，量子效率可达55%，暗噪声仅16个/秒。与目前采用的铟镓砷探测器直接探测1.55微米光子相比（量子效率10%，暗噪声5000个/秒），提高了探测效率，降低了系统噪声。该方法立刻引起德国宇航局、丹麦科技大学、白俄罗斯国立大学同行的关注，于2016年3月采用相同技术实现大气二氧化碳的探测。
2016年8月，中国科大采用全光纤保偏鉴频器对单光子的频移进行了测量，利用微弱光源（激光脉冲能量5×10-5焦耳）、小口径望远镜（直径0.08米）在国际上首次实现了大气边界层风场的探测[Optics Express, 24, 19322 (2016)]。
2016年11月，中国科大窦贤康教授课题组夏海云与潘建伟院士课题组张强经过三年的合作，在国际上首次研制了单光子频率上转换量子测风激光雷达，实现了大气边界层气溶胶和风场的昼夜连续观测，在国际著名光学期刊《Optics Letters》（光学快报）和《Optics Express》（光学快车）上发表了一系列重要成果。在其中一篇论文中，中国科大的研究团队利用时分复用技术，报道了当时集成度最高的量子测风激光雷达，不仅简化了系统结构，还提高了系统稳定性和可靠性，并免于周期性校准[Optics Letters, 41, 5218 (2016)]。通过提高量子效率（光电转化效率）和光学集成度（系统光学效率），综合抑制探测噪声，实现了昼夜连续观测的、轻小防振、低功耗、常温环境下运行的全光纤保偏结构的激光雷达系统，适合在机载、舰载、星载等平台的恶劣环境下运行。该技术为小型星载激光雷达提供了新思路，为普及高性价比、高稳定性、超小型化的激光雷达奠定了基础。
2017年9月，中国科学技术大学窦贤康课题组夏海云与潘建伟课题组张强合作，在国际上首次实现基于超导纳米线单光子探测器的双频多普勒测风激光雷达。采用最精简的光学结构实现了系统最高稳定性，提高了测风激光雷达的实用性和可靠性，更适合机载、星载平台运行。成果发表在国际著名光学期刊《Optics Letters》。9月6日，美国光学协会（OSA）、美国科学促进会（AAAS）官方网站以“新闻发布”（News Release）形式，首次对我国激光雷达研究进行了专题采访报道。
2021年，中国科学技术大学教授潘建伟、徐飞虎等人基于激光雷达成像技术，实现了超过200公里的远距离单光子三维成像，首次将成像距离从十公里突破到百公里量级，为远距离目标识别、对地观测等领域的应用开辟了新道路。该成果于近期发表在国际学术知名期刊《Optica》上[Optica 8,344-349, 2021]。
2022年6月，窦贤康教授激光雷达团队在相干测风激光雷达方面实现重大突破，首次实现3米和0.1秒的全球最高时空分辨率的高速风场观测。该成果同样发表在国际知名光学期刊《Optics Letters》上[Optics Letters 47, 3179(2022)]，获得了国内外同行广泛关注，并在本刊周期内保持下载浏览量Top1。
主要研究人员
窦贤康，曾任中国科学技术大学党委常务副书记、副校长、教授、博导，武汉大学校长，现任科学技术部党组成员，国家自然科学基金委员会主任。2017年当选中国科学院院士。窦贤康院士长期从事中高层大气理论、观测与实验综合研究，多年来他坚持针对学科前沿问题，独立自主研制了系列激光雷达观测系统，车载测风激光雷达系统填补了国内在该领域的空白，技术水平达到国际领先水平；国际上首次研制成功基于上转化技术的量子激光雷达，开创了一种激光雷达探测新体制；基于在观测设备上的开拓性工作，在中层顶区域大气动力学和光化学等领域的研究取得了系统性和创新性成果。获得国家发明专利27项，发表国际SCI论文110余篇。相关成果获得2014年军队科技进步一等奖和2017年安徽省自然科学一等奖（均排名第一）。其主要学术成绩与贡献：一是推动激光雷达探测技术的发展，在国际上首次研制成功基于上转化技术的量子激光雷达，为中高层大气研究奠定坚实的观测基础；二是利用自主研发设备设计观测试验，揭示了中性大气与电离成分作用机制；三是在中高层大气对低层大气响应研究中，提出了若干大气波动影响中高层大气变化性的新机理，为中高层大气建模和精确预报奠定了基础。
薛向辉，中国科学技术大学地球和空间科学学院教授、博导，主要从事中高层大气与激光雷达遥感方面的研究，国家基金委杰出青年科学基金和优秀青年基金获得者。2007年毕业于中国科学技术大学空间物理专业，获博士学位。2007年8月留校被聘为副教授，2011年聘特任教授，2014年任教授，现为科技部蒙城地球物理国家野外科学观测研究站副站长。
王冲，中国科学院地质与地球物理研究所特聘副研究员。研究兴趣包括超大陆重建、构造古地磁学、前寒武纪地质学、大火成岩省、岩石学、超大陆动力学等。
[1]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.4c00302
[2]https://news.ustc.edu.cn/info/1055/88626.htm
[3]https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-ZSDD201805002.htm
[4]https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-41-22-5218
[5]https://quantum.ustc.edu.cn/web/index.php/node/9
[6]https://opg.optica.org/viewmedia.cfm?r=1&rwjcode=ol&uri=ol-40-7-1579&html=true
[7]https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-24-17-19322&id=348574
[8]https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-42-18-3541
[9]https://sias.ustc.edu.cn/2021/0408/c3116a479524/page.htm
[10]https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-8-3-344&id=449006
[11]https://news.ustc.edu.cn/info/1048/79720.htm
[12]https://opg.optica.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-47-13-3179&id=477123
[13]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.59.2044
[14]https://en.wikipedia.org/wiki/Hong%E2%80%93Ou%E2%80%93Mandel_effect
[15]https://ph.postech.ac.kr/member/profile.php?id=28
[16]https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/jeff-ou(43f7791d-6692-43a1-9295-6f41de567c21)/opportunities.html
[17]https://ess.ustc.edu.cn/2022/0929/c32211a572064/page.htm
[18]https://ess.ustc.edu.cn/2022/0929/c32197a572078/page.htm
[19]https://igg.cas.cn/sourcedb_igg_cas/cn/zjrck/202303/t20230306_6688759.html
