量子雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室

量子技術(shù)，21世紀(jì)以來(lái)世界科學(xué)研究最前沿?zé)狳c(diǎn)之一。

激光雷達(dá)，一種已被廣泛應(yīng)用、性能挖掘潛力巨大的探測(cè)手段。

當(dāng)量子技術(shù)遇到激光雷達(dá)，會(huì)碰撞出怎樣的火花？強(qiáng)強(qiáng)相遇，兩敗俱傷還是相得益彰？

我們的科學(xué)家已用切實(shí)成果給出答案——將量子技術(shù)應(yīng)用到激光雷達(dá)，前者的應(yīng)用范圍得以拓展，后者的性能極限一再突破，而融合二者優(yōu)勢(shì)的量子探測(cè)激光雷達(dá)一出現(xiàn)便引得世界矚目。

那么，量子探測(cè)激光雷達(dá)有何特別？能做什么？

國(guó)耀量子雷達(dá)科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱國(guó)耀量子）就是一家專門從事高性能量子探測(cè)激光雷達(dá)研究與應(yīng)用的高科技企業(yè)，他們以優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品和解決方案告訴世界，量子技術(shù)距離我們的生活并不遙遠(yuǎn)，已經(jīng)在反哺社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人民生活。

“高冷”量子技術(shù)遇“熱”

在量子力學(xué)中，如果某種物理量存在最小的、無(wú)法被分割的基本單位，就意味著這種物理量是可以量子化的，而這個(gè)最小單位就是量子。量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，所有人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。

1900年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克在研究黑體輻射問(wèn)題時(shí)首次提出“量子”的概念。以量子為基礎(chǔ)衍生出的量子科學(xué)，是20世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。

提到量子，人們總覺(jué)得它是“高冷”的，離自己的生活非常遙遠(yuǎn)，其實(shí)并非如此。自量子力學(xué)發(fā)展以來(lái)，基于量子規(guī)律而發(fā)展應(yīng)用的各種技術(shù)已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面。比如我們今天使用的計(jì)算機(jī)、筆記本電腦及手機(jī)等的芯片，其基本的計(jì)算單元晶體管就是基于量子力學(xué)中的能帶理論發(fā)明的。

近年，伴隨物理學(xué)科的不斷發(fā)展，人們關(guān)于量子的科學(xué)研究與應(yīng)用，也從基于量子規(guī)律的宏觀應(yīng)用，轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳?zhǔn)控制量子的技術(shù)應(yīng)用。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，量子技術(shù)逐步被應(yīng)用于信息的獲取、存儲(chǔ)、傳遞、處理和使用等過(guò)程中，更在最近的短短20年里取得巨大進(jìn)步，并形成了量子保密通信、量子計(jì)算、量子精密測(cè)量等典型應(yīng)用。

量子技術(shù)并不“高冷”，反而在各國(guó)都炙手可熱。英國(guó)于2015年啟動(dòng)總額4億英鎊的“國(guó)家量子技術(shù)專項(xiàng)”；歐盟2018年初啟動(dòng)總額超過(guò)30億英鎊的“量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目”；2018年6月，美國(guó)眾議院通過(guò)為期10年的“國(guó)家量子行動(dòng)法案”；之后不久，德國(guó)政府通過(guò)總投入6.5億歐元的量子技術(shù)研究的框架計(jì)劃——“量子技術(shù)：從基礎(chǔ)到市場(chǎng)”……

量子技術(shù)，已經(jīng)成為世界新一輪科技革命的制高點(diǎn)，成為世界各國(guó)力爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。而各國(guó)的量子技術(shù)研究規(guī)劃中，無(wú)一例外均將量子保密通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量放在了重中之重。

量子通信是指利用量子技術(shù)，傳輸量子狀態(tài)以達(dá)到經(jīng)典通信無(wú)法達(dá)到的功能，諸如量子密鑰分發(fā)、量子隱形態(tài)傳輸?shù)?，目前量子密鑰分發(fā)是最接近實(shí)用的分支，其最大特點(diǎn)是能夠保障信息鏈路傳輸?shù)臒o(wú)條件安全?；谑澜缡最w量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子”號(hào)的成功發(fā)射與在軌運(yùn)行，以及逐步建成的“京滬干線”（連接北京、上海，貫穿濟(jì)南和合肥全長(zhǎng)2000余公里的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)），我國(guó)首次描繪出了天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)藍(lán)圖，有助于國(guó)家信息安全與信息技術(shù)。

量子計(jì)算的最終目標(biāo)是通用量子計(jì)算機(jī)，被稱為“夢(mèng)想的超高速計(jì)算機(jī)”，其計(jì)算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，一臺(tái)操縱100個(gè)粒子的量子計(jì)算機(jī)，對(duì)特定問(wèn)題的處理能力可達(dá)到目前全世界計(jì)算能力總和的100萬(wàn)倍。專家介紹，通用量子計(jì)算機(jī)一旦實(shí)現(xiàn)，將對(duì)通信安全、導(dǎo)航、成像以及人工智能、生物制藥、新材料研發(fā)等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響，帶來(lái)國(guó)家安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的極大變革。據(jù)報(bào)道，目前已有科學(xué)家開(kāi)始進(jìn)行量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用嘗試，在中國(guó)，量子計(jì)算正從基礎(chǔ)研究邁入技術(shù)積存和集中攻關(guān)階段。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，量子精密測(cè)量的實(shí)現(xiàn)比量子計(jì)算要容易一些。利用高精度的量子信息處理技術(shù)，可以對(duì)時(shí)間、位置、重力等物理信息實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典技術(shù)極限的量子精密測(cè)量，大幅度提升衛(wèi)星導(dǎo)航、激光制導(dǎo)、水下定位、醫(yī)學(xué)檢測(cè)和引力波探測(cè)等的準(zhǔn)確性和精度。

而在中國(guó)，無(wú)論談到量子通信、量子計(jì)算，還是量子精密測(cè)量，都躲不開(kāi)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)。

國(guó)耀量子就是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)的成員響應(yīng)國(guó)家鼓勵(lì)科研人員創(chuàng)業(yè)政策，積極推動(dòng)量子技術(shù)創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化落地的結(jié)晶。

當(dāng)激光雷達(dá)“遭遇”量子技術(shù)

國(guó)耀量子的創(chuàng)始人均來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)。

CEO夏海云，激光雷達(dá)專家，已從事激光雷達(dá)研究16年，從飛秒激光雷達(dá)，到亞洲首臺(tái)平流層測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，再到量子探測(cè)測(cè)風(fēng)雷達(dá)、超導(dǎo)雙頻測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，成果頗豐。

CTO張強(qiáng)，量子通信專家，多年從事量子密碼、量子通信實(shí)驗(yàn)研究和單光子探測(cè)器研制，量子物理學(xué)基本問(wèn)題檢驗(yàn)等，同樣成果卓著。

夏海云和張強(qiáng)的合作，正是激光雷達(dá)與量子技術(shù)的跨學(xué)科融合。如今看來(lái)，這一融合頗為成功。

激光雷達(dá)已發(fā)展半個(gè)多世紀(jì)，其基本原理是：出射激光脈沖與大氣相互作用，采用光學(xué)天線收集大氣后向散射信號(hào)，然后輸入光學(xué)接收機(jī)，經(jīng)光電探測(cè)和數(shù)據(jù)處理后，得出一系列關(guān)鍵大氣參數(shù)，諸如氣溶膠濃度、PM2.5值、云高、溫度、濕度、能見(jiàn)度、大氣成分（如水汽、各種污染氣體成分）等。

夏海云所研究的，是被世界氣象組織列為最具挑戰(zhàn)性的激光雷達(dá)——測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。

為何最具挑戰(zhàn)性？

“決定激光雷達(dá)性能的最關(guān)鍵因素，是弱光電信號(hào)的探測(cè)能力。微弱大氣后向散射信號(hào)的極限就是單光子。在其他用途的激光雷達(dá)中，只要數(shù)清楚大氣后向散射信號(hào)中包含的光子個(gè)數(shù)就可以，其中測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)還需要探測(cè)單個(gè)光子的頻率變化?！毕暮Ｔ平忉專@對(duì)雷達(dá)性能提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，只能依靠提高出射激光功率或者增大望遠(yuǎn)鏡面積來(lái)提高激光雷達(dá)探測(cè)信噪比，進(jìn)而提升激光雷達(dá)性能。量子技術(shù)的出現(xiàn)，為激光雷達(dá)性能的提升提供了新的技術(shù)路徑。

夏海云與張強(qiáng)合作，摒棄歐美增大激光能量和望遠(yuǎn)鏡面積的傳統(tǒng)思路，利用量子技術(shù)，從微觀提升量子效率、降低探測(cè)噪聲，從而實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)性能的提升。他們提出的高量子效率、全光纖集成的方案，最終開(kāi)辟出了激光雷達(dá)發(fā)展的新方向——量子探測(cè)激光雷達(dá)。

“在我們的技術(shù)中，我們利用了1550nm波段的激光技術(shù)和室溫下高靈敏度的量子探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可產(chǎn)業(yè)化、人眼安全的量子探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)?！睋?jù)了解，目前國(guó)耀量子已經(jīng)取得了一系列行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先成果——

他們率先提出量子探測(cè)激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)了大氣氣溶膠（對(duì)電廠排污情況）的晝夜連續(xù)探測(cè)。該方法近來(lái)被德國(guó)宇航局和洪堡大學(xué)；法國(guó)科學(xué)院、巴黎一大和Thales（法國(guó)軍火商）光電部；白俄羅斯國(guó)立大學(xué)；丹麥科技大學(xué)；英國(guó)?？巳卮髮W(xué)等同行應(yīng)用。

他們率先報(bào)道了全光纖集成的量子探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，并免于周期性校準(zhǔn)。

他們率先提出超導(dǎo)雙頻測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)了最高空間分辨率風(fēng)場(chǎng)探測(cè)，可探測(cè)機(jī)場(chǎng)風(fēng)切變。該工作被美國(guó)光學(xué)協(xié)會(huì)（OSA）、美國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)（AAAS）專題報(bào)道“最精簡(jiǎn)穩(wěn)定，適合機(jī)載、星載運(yùn)行”。

他們還率先提出超導(dǎo)偏振雷達(dá)，可對(duì)大氣污染物種類進(jìn)行區(qū)分。

……

國(guó)耀量子的成立，正是為了推動(dòng)量子探測(cè)激光雷達(dá)成果從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的跨越，推動(dòng)量子探測(cè)激光雷達(dá)相關(guān)成果盡快服務(wù)社會(huì)與人民。

“硬核”團(tuán)隊(duì)的新挑戰(zhàn)

國(guó)耀量子成立于2017年，總部位于上海自貿(mào)區(qū)，旗下設(shè)山東國(guó)耀量子雷達(dá)科技有限公司（生產(chǎn)基地）和合肥分部（研發(fā)基地）。

公司現(xiàn)有成員35人，其中博士18人，核心技術(shù)與成員均來(lái)自于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)。科研人員創(chuàng)業(yè)，乘上了國(guó)家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)政策的“東風(fēng)”，也仍是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

所幸這個(gè)創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，技術(shù)實(shí)力足夠“硬核”——核心成員曾先后負(fù)責(zé)和參與“墨子號(hào)”量子通訊衛(wèi)星、量子通信京滬干線、國(guó)家重大軍事任務(wù)等，擁有量子探測(cè)激光雷達(dá)的海陸空運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，曾獲軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明特等金獎(jiǎng)。

這樣的團(tuán)隊(duì)奠定了國(guó)耀量子雷達(dá)與生俱來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

短短幾年，國(guó)耀量子已經(jīng)自主研制并生產(chǎn)出了基于量子（單光子）探測(cè)器的激光雷達(dá)，主要產(chǎn)品包括量子探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)、能見(jiàn)度儀、云高儀、揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)雷達(dá)、PM2.5/PM10激光雷達(dá)測(cè)量?jī)x。

由于量子技術(shù)、集成光電子技術(shù)、光通信技術(shù)在激光雷達(dá)中的應(yīng)用，國(guó)耀量子研制的量子探測(cè)激光雷達(dá)，有著明顯的優(yōu)勢(shì)——

采用的1550nm工作波長(zhǎng)，在200nm—2000nm波段人眼安全曝光功率中最高，人眼安全系數(shù)最高，利于進(jìn)行大范圍城區(qū)推廣；

研發(fā)了應(yīng)用于激光雷達(dá)的高量子效率、低暗計(jì)數(shù)噪聲的單光子探測(cè)器，探測(cè)效率高，利于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離掃描；

采用周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)、體布拉格光柵、帶通濾光片綜合噪聲抑制技術(shù)，在透射帶寬0.05nm時(shí)透過(guò)率88%，噪聲抑制比高；

研發(fā)了全光纖光學(xué)器件，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全光纖鏈接，緊湊小巧，防振性能優(yōu)越，尤其適合在機(jī)載、艦載、星載等特殊平臺(tái)運(yùn)行，且適合系統(tǒng)小型化、模塊化的大批量生產(chǎn)，利于后期維護(hù)；

同時(shí)，其可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)工作，可進(jìn)行污染源的區(qū)域性定量測(cè)量等等。

總之，其不但具備時(shí)空分辨率高、探測(cè)靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，還在系統(tǒng)小型化、高穩(wěn)定性、智能化、高性價(jià)比等方面取得了革命性進(jìn)步。

最重要的是，除了產(chǎn)品，國(guó)耀量子還可為用戶提供系統(tǒng)、科學(xué)的解決方案，提供定制化的雷達(dá)生產(chǎn)，根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)氣象參數(shù)，如風(fēng)、溫、濕、密度等探測(cè)，以及環(huán)保參數(shù)，如PM2.5/PM10、能見(jiàn)度、大氣污染成分、污染顆粒物偏振態(tài)等的探測(cè)，服務(wù)于環(huán)境保護(hù)、數(shù)字氣象、航空安全、智慧城市、囯防安全等多個(gè)領(lǐng)域。

未來(lái)已來(lái)，唯變不變

2018年8月28日，首都航空北京飛澳門一客機(jī)在澳門機(jī)場(chǎng)降落時(shí)疑似遭遇風(fēng)切變，機(jī)組立即采取復(fù)飛并啟動(dòng)應(yīng)急程序，最終安全備降深圳寶安機(jī)場(chǎng)。萬(wàn)幸事故沒(méi)有造成人員傷亡，風(fēng)切變則再次成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

風(fēng)切變是一種大氣現(xiàn)象，是風(fēng)速在水平和垂直方向的突然變化。風(fēng)切變，特別是低空風(fēng)切變，是導(dǎo)致飛行事故的大敵，被稱為“無(wú)形殺手”。國(guó)際航空界公認(rèn)低空風(fēng)切變是飛機(jī)起飛和著陸階段的一個(gè)重要危險(xiǎn)因素。同樣被視為“隱形殺手”的還有晴空湍流，一種晴朗天氣時(shí)空中出現(xiàn)的湍流，一般認(rèn)為它也與風(fēng)切變有關(guān)。這些特殊大氣現(xiàn)象的存在，嚴(yán)重影響著民航飛機(jī)的飛行安全。

軍事領(lǐng)域面對(duì)的風(fēng)場(chǎng)與氣流情況更為復(fù)雜。以航母艦載機(jī)的降落為例，飛行員不僅要考慮海區(qū)氣象條件，還要關(guān)注氣流、海面狀況等客觀不確定因素，更要綜合考量航母上的復(fù)雜大氣紊流情況，“除了陸地機(jī)場(chǎng)通常存在的大氣紊流以外，由于航母龐大的艦體以及自身的運(yùn)動(dòng)還會(huì)在艦首產(chǎn)生上洗氣流，在艦尾處形成較強(qiáng)的尾流，在艦側(cè)面形成翻滾的氣流；而艦載機(jī)起飛后在甲板上留下的尾流，也會(huì)對(duì)下一架飛機(jī)的起飛造成影響”。因此，艦載機(jī)飛行風(fēng)險(xiǎn)大，事故發(fā)生率高。

量子探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的出現(xiàn)，為這些難題提供了目前技術(shù)水平的最優(yōu)解。針對(duì)風(fēng)切變等特殊大氣現(xiàn)象，國(guó)耀量子可提供兩種直接探測(cè)雷達(dá)解決方案，一種是基于量子頻率上轉(zhuǎn)換的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，另外一種是基于超導(dǎo)單光子探測(cè)的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。兩種方案，均可實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)風(fēng)場(chǎng)變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)切變預(yù)警，在最大程度上規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，保障飛行安全。

與之相似的，國(guó)耀量子同樣可以根據(jù)不同需求，研制生產(chǎn)不同形制、性能的量子探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)，以服務(wù)于臨近空間飛艇環(huán)境保障、衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)風(fēng)切變預(yù)警、化學(xué)播撒預(yù)警、海上風(fēng)切變預(yù)警、衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)和目標(biāo)搜索，乃至超低彈等戰(zhàn)略武器高精度制導(dǎo)等場(chǎng)景。

國(guó)耀量子同樣可提供民用領(lǐng)域的探測(cè)方案，比如風(fēng)場(chǎng)探測(cè)、污染探測(cè)等。

在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，量子探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)可以提供風(fēng)葉正前方的實(shí)時(shí)風(fēng)場(chǎng)變化信息，從而反饋給風(fēng)機(jī)及時(shí)調(diào)整風(fēng)葉方向，以達(dá)到最優(yōu)的發(fā)電效率，減少電機(jī)損耗。同時(shí)，量子探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)可以進(jìn)行某區(qū)域內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)累計(jì)測(cè)試，為風(fēng)機(jī)的選址提供評(píng)估數(shù)據(jù)支持。

在氣象環(huán)保領(lǐng)域，量子探測(cè)激光雷達(dá)可以定位污染源的排放，實(shí)現(xiàn)對(duì)工地?fù)P塵的監(jiān)測(cè)，及污染源凈排放的計(jì)算等。如今，國(guó)耀量子已經(jīng)形成了一套可長(zhǎng)期穩(wěn)定、適合大溫差、強(qiáng)震動(dòng)、高鹽霧惡劣工況下運(yùn)行的全光纖系統(tǒng)，比傳統(tǒng)雷達(dá)具有更高的性價(jià)比。這一系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)廣域范圍內(nèi)大氣污染源、能見(jiàn)度信息、PM2.5/PM10、工地?fù)P塵等24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)結(jié)合對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)信息的監(jiān)測(cè)可以區(qū)分大氣傳輸和區(qū)域內(nèi)生成污染，定量監(jiān)測(cè)每一個(gè)大氣污染源，定量計(jì)算每個(gè)單位的凈排量，為環(huán)保部門的監(jiān)管執(zhí)法提供可量化數(shù)據(jù)支持。

每一次大的科技突破，都會(huì)引發(fā)人們思想觀念的革新，而后是生活方式的變革，量子技術(shù)同樣如此。國(guó)耀量子所做的，正是將量子技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室搬到人們的生產(chǎn)生活中，讓人們親近它、接受它。

第二次量子革命的浪潮之下，國(guó)耀量子將一如既往，胸懷凌云之志，倚劍量子科技，以當(dāng)下及未來(lái)國(guó)家需求為出發(fā)點(diǎn)，不斷創(chuàng)新、堅(jiān)持創(chuàng)新、持續(xù)創(chuàng)新！因?yàn)樗麄儓?jiān)信：未來(lái)已來(lái)，唯變不變。