又收智商税？Science两度质疑：量子雷达，一场游戏一场梦？

半个导体

2020-09-28

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量子，这个已经问世100多年的老概念，近年来开始走进大众的视线中，并逐渐成为智商税的顶级收割机。正所谓，遇事不决，量子力学。从量子力学、量子计算机、量子纠缠、量子通信、量子雷达、量子隐形、量子芯片到量子波动速读、量子衣服、量子手机膜……不明就里的人，看的眼花缭乱，云里雾里。

早在1900年，在诺贝尔奖都还没有问世的时候，德国物理学家普朗克就首次提出量子的概念，发起了对牛顿经典力学的挑战，从此打开了量子力学的序幕。

量子，是指一个物理量最小的不可分割的基本单位。也就是说，量子本质上是一个单位。按照量子力学理论，能量、电荷、动量等等基础的物理量都是不连续的，而这些不连续的物理量的最小基本单元就是量子。

从微观的例子来说，光是由许多光子组成，而光子是不可再分的最小单元，因此，在光学体系中，光子就是一个量子，也可以称为光量子。

从宏观的例子来说，一杯水是由无数水滴组成，假设这些水滴是一个一个的，无法再分的最小单元，那么，这个水滴就可以视为一个“量子”。（当然，水滴本身肯定还是可以继续再分的为水分子，氢原子和氧原子等等，这里只是做个假设哈。）

                                                                                                                                                        图丨pixabay

从量子照明说起

2008年，一位自称来自麻省理工学院（MIT）的量子力学工程师Seth Lloyd以唯一作者在Science发表了一篇论文，声称发明了一种创新的量子照明技术，可以极大提高量子雷达的灵敏度。这一技术有望用于隐形飞机的侦查，使隐形飞机无所遁形，一时间量子雷达被推向高潮。

然而，量子雷达的教父级人物，MIT的Jeffrey Shapiro教授，却认为量子雷达技术的未来渺茫，实际应用存在很多几乎无法解决的问题。即便有人已经宣称发明了量子雷达，要么这个量子雷达并不能实际应用，要么就不是真正意义上的量子雷达。

对此，Science专栏作者Adrian Cho两次撰文表示怀疑。一次是在2008年，Seth Lloyd发表量子照明的Science论文之后；另一次就是在十二年后的最近几天。

人在夜里行走，总希望能得到更多光亮，看见黑暗中的东西。

检测物体存在的常规方法是沿物体的方向照射光，并查看是否有反射回来的物体。如果物体很远，则只有一小部分光会反射到检测器。如果物体浸入噪声和热辐射中，则必须将反射的任何光线与嘈杂的背景区分开。

要确定看不见的地方是否有东西，常规的方法是沿物体的方向照射光，看看是否有光反射回来。如果物体很远， 只会在其入射方向上反射一小部分光。如果物体周围有很多噪音和辐射，就必须将反射的光线与背景噪音区分开。因此，必须发出足够多的光子，才能确定来自特定方向的光子数量是否超过环境光子数量，才能判定是否有物体存在于探测区域。

                                                                                                                               图丨Science

Lloyd认为，量子纠缠可以减少所需的光子数量。他假设光束中的光子一个接一个地发射，量子理论允许每个光子同时具有全部30种不同的频率。光子一旦被测量，频率之间就会随机发生微妙的“叠加”。两个光子可以“纠缠”在一起，从而每个光子处于不确定的分裂状态，但它们的频率锁定在一起。

然后，将来自特定方向的光子与辅助光进行比较。如果检测到的光子是来自光束，则其频率和辅助光的频率将相叠加。从背景噪音而来的光子只有1/30的机会被计入叠加中，因此背景光子更难伪装成从光束中返回的光子。

依据这种理论，信噪比将随纠缠量而定：纠缠对中每个光子所跨越的频率越多，信号越强。如果未来使用一百万或者更多的频率，这种差异就可以确保仅仅通过检测到的光子数量就可以判定到一个隐形物体的存在与否。

对此，实验物理学家Torres认为，这很令人惊讶，他想知道纠缠是否真的有必要。理论物理家D'Ariano则认为，有很多事情还需要确认，但是这个想法很有希望。

让隐形飞机无所遁形？

Lloyd的计算，为实验人员带来了新的方案。2015年，麻省理工学院的研究人员将光频率下的量子照明信噪比提高了20％。其主要局限性在于，整个想法是在明亮的背景下检测物体，但是在室温下几乎没有光学背景，周围环境不会明显发光。因此，不得不使用人工背景光。

奥地利科学技术研究院的实验物理学家Johannes Fink指出，在雷达工作的微波波段，情况有所不同。在室温下，微波从所有物体（甚至空气）中流出，人们对微波很感兴趣，因为背景总是存在的。隐身技术通过抑制其在微波频率下的反射率来隐藏军用飞机，从而使周围环境的光芒掩盖飞机的反射。

量子照明似乎有望战胜隐形技术，但是，很难通过实验证实。

                                                                                                                                                        图丨Science

物理学家可以使用Josephson参数转换器Gizmo（而不是晶体）从单个脉冲中产生一对纠缠的微波脉冲，但是该设备只能在接近零的温度下工作，这需要使用液氦冷却的低温恒温器。

尽管如此， 2019年3月，Wilson等人证明了他们可以产生纠缠的微波，并使用它们来检测同一低温恒温器中的物体。卡尔加里大学物理学家Shabir Barzanjeh等人进行了类似的实验，但是他们放大了信号脉冲并将其从低温恒温器中引出，以检测室温物体。

但是，要使该方案真正起作用，必须保留微波脉冲，直到反射的脉冲（或替换它的背景）返回为止。然后，使量子波发生干涉，一起测量两个脉冲。但是，到目前为止，还没有人这样做。取而代之的是，他们立即测量了保留脉冲，随后又测量了返回脉冲，这在实验中消除了来自量子相关性的任何增益。

量子雷达，一场大梦？

Lloyd的计算依赖于高度理想的纠缠形式。本质上，纠缠相关性将使将背景光子误认为是从目标反射的光子变得更加困难。

具有讽刺意味的是，尽管纠缠有助于通过背景噪音突显检测对象，但噪音却消除了纠缠。没有噪音，每对频率将相加相同。混入足够的噪声，则总频率随机地在一对之间变化，这表明完全没有纠缠。

对此，Lloyd解释称，在进行检测时，进入系统中的任何纠缠都已完全消除。尽管如此，它还是有帮助的。

MIT的Jeffrey Shapiro教授也对这种酷炫的量子雷达技术进行了尝试。他们用特殊晶体产生真实的纠缠光脉冲，该晶体可以将单个较高频率的脉冲转换为较低频率的两个纠缠脉冲。脉冲没有确定数量的光子，并且像无线电静态信号一样“有噪声”。但是由于纠缠，两个脉冲中的噪声高度相关。

研究人员将依赖纠缠脉冲的探测器的灵敏度与发出单脉冲激光的传统探测器进行了比较。他们发现，量子效应将信噪比提高了四倍，但是比他们期望的要小。

这确实有些令人失望。

然而，即使实验者可以克服技术上的障碍，在当今世界，量子雷达仍然具有几个致命的弱点：

1）寻找到足够强大的量子纠缠源。

2）实现非经典信号的调制。

3）实现非经典信号的监测。

这几个技术，要么还未完全成熟，要么已经超越当前物理学的认知范畴，前景如何，着实堪忧。

未来何如？

或许，量子雷达探测隐形飞机等远距离应用，最终只能成为一个遥远的梦想。

又或许，量子雷达将为我们打开医学等近距离应用世界的大门。

科学的世界，没有不可能。

我们怀疑，同时也期待！

参考文献：

1. Adrian Cho. The short, strange life of quantum radar. Science 2020, 369, 1556-1557.

https://science.sciencemag.org/content/369/6511/1556

2. Adrian Cho. Quantum Flashlight Pierces the Darkness With a Few Percent as Many Photons. Science 2008, 321, 1433-1443.

https://science.sciencemag.org/content/321/5895/1433.1

3. Seth Lloyd. Enhanced Sensitivity of Photodetection via Quantum Illumination. Science 2008, 321, 1463-1465.

https://science.sciencemag.org/content/321/5895/1463