CN110441787A - 一种实现三维精度增强的量子雷达方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实现三维精度增强的量子雷达方法，属于量子技术领域。利用在所有三个空间自由度上纠缠的N个光子作为探测源，其在每个方向上的探测不确定度比传统的N个独立光子源小倍。首先制备出频率和横向动量正关联的N‑photon纠缠光子源。然后，该光源发射出去之后，可以覆盖需要探测的区域，因为其横向动量是正关联且方向未知的，于是就可以覆盖非常大的面积。如果光子遇到物体则会反射回来，反之光子就会传播出去。第三步，利用CCD探测器记录N个光子的返回时间和在接收屏上的横向坐标位置。第四步，计算N个光子的平均到达时间即未知物体与探测器之间的距离，同时计算N个光子的平均横向位移即未知物体所处的横向方位。
Description
技术领域
本发明属于量子技术领域，涉及一种实现三维精度增强的量子雷达方法。
背景技术
雷达技术的改进对于无论在军事还是民用领域的重要意义都是不言而喻的。当前，诸如探测信号的性质、电磁信号的强度、测量精度等诸多因素都制约着传统雷达技术的发展。量子信息技术被认为非常有希望突破传统方案的瓶颈。它本质上是通过使用量子效应(如纠缠或压缩)来提高参数估计精度的过程。目前的量子雷达方案主要包括以下三种：量子定位方案、量子照明方案、单光子方案。但是，此前的三种量子雷达方案都只是在测距方面比传统方案存在倍的增强。而其在判定未知物体的横向方位上较之传统方案并不会增强。所以这些方案不能够实现目标的检测和定位同时都具有更高的精度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种实现三维精度增强的量子雷达方法，不需要未知物体的合作和默认其方向已知。它相比于相同空间带宽的N个独立光子可以实现目标位置不确定性的倍的减少，即在三个空间维度中的每个维度上实现了不确定性的倍减少。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种实现三维精度增强的量子雷达方法，该方法包括步骤：
S1：首先制备出频率和横向动量正关联的N-photon纠缠光子源；
S2：该光子源发射出去之后，覆盖需要探测的区域；如果光子遇到物体则会反射回来，反之光子就会传播出去；
S3：利用CCD探测器记录N个光子的返回时间和在接收屏上的横向坐标位置；
S4：计算N个光子的平均到达时间即未知物体与探测器之间的距离，同时计算N个光子的平均横向位移即未知物体所处的横向方位。
可选的，所述纠缠光子源为其中代表量子态，代表量子态在频率和横向动量表象下的分布函数，代表产生算符，ω是光子的频率，代表光子的横向场动量。
可选的，在所述步骤S3中：
如果量子雷达使用的是两光子频率和横向动量正相关的纠缠源，则每对光子对的返回时间及横向坐标的平均返回时间和横向坐标即确定未知物体的距离和横向位置，其中未知物体的距离为屏幕上的横向位移则给出未知物体所处的方位；
如果量子雷达使用的是N光子频率和横向动量正相关的纠缠源，则每对光子对的返回时间及横向坐标的平均返回时间和横向坐标即确定未知物体的距离和横向位置，其中未知物体的距离为屏幕上的横向位移则给出未知物体所处的方位。
本发明的有益效果在于：
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为两光子频率和横向动量正相关纠缠源制备——Hong-Ou-Mandel干涉法；
图2为两光子频率和横向动量正相关纠缠源制备——脉冲光共聚焦法；
图3为量子雷达方案示意图；
图4为两光子频率和横向动量正相关纠缠源实现三维精度增强的原理图；
图5为两光子频率和横向动量正相关纠缠源实现三维精度增强的原理图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明利用在所有三个空间自由度上纠缠的N个光子作为探测源，其在每个方向上的探测不确定度比传统的N个独立光子源小倍。本方法的要点如下，首先制备出频率和横向动量正关联的N-photon纠缠光子源(比如两光子可以利用但不限于脉冲光通过共聚焦之后打到非线性晶体上产生频率与横向动量均为正关联的纠缠光子源，需要说明的是我们希望专利保护的是提出的这种性质的光源不限于其制备方法)。然后，该光源发射出去之后，可以覆盖需要探测的区域，因为其横向动量是正关联且方向未知的，于是就可以覆盖非常大的面积。如果光子遇到物体则会反射回来，反之光子就会传播出去。第三步，利用CCD探测器记录N个光子的返回时间和在接收屏上的横向坐标位置。第四步，计算N个光子的平均到达时间即未知物体与探测器之间的距离，同时计算N个光子的平均横向位移即未知物体所处的横向方位。
图1首先利用一束脉冲光打在合适的非线性晶体上使之产生频率正关联和横向动量反关联的纠缠源为了得到频率和横向动量都是正关联的光子对，我们采用逆转一个光子的横向动量，并保持另一个光子横向动量不变。这个方法中采用光束反射的方法实现。如图所示，利用两个镜子和一个50-50的分束器，这样光子通过过程中一个光子是通过反射镜反射并通过BS传输，因此其横向动量被反转，而另一个光子被反射两次，先是横向动量被反转，并且然后又恢复到原来的状态。从而得到频率和横向动量都是正关联的状态在这个过程中，光子通过BS时，光子需要是平行的，为了保证这一点，可以通过Hong-Ou-Mandel干涉检验，如果观测到dip则说明是平行的，反之则需要矫正。
图2：通过一束脉冲光先经过一个聚焦透镜，调节距离，使之打到合适的非线性晶体上，当满足相位匹配条件时，实现非临界二类参量下转化过程，从而直接得到频率和横向动量都是正关联的状态为其中代表量子态，代表量子态在频率和横向动量表象下的分布函数，代表产生算符，ω是光子的频率，代表光子的横向场动量。通过优化赝相位匹配条件，提高频率和横向动量都是正关联的状态产生效率的内容也应该包含在专利要求中。
图3：量子雷达方案的核心是其纠缠源作为探测源，并对返回的信号进行单光子探测器进行测量。雷达发射出频率和横向动量正相关的纠缠源，随后利用CCD探测器接收返回信号，并记入每个信号的返回时间及横向坐标。
图4：如果量子雷达使用的是两光子频率和横向动量正相关的纠缠源，则每对光子对的返回时间及横向坐标的平均返回时间和横向坐标即确定未知物体的距离和横向位置，其中未知物体的距离为屏幕上的横向位移则给出未知物体所处的方位。该方案相比于相同空间带宽的独立光子源可以实现目标位置不确定性的倍的减少，即在三个空间维度中的每个维度上实现了不确定性的倍减少。
图5：如果量子雷达使用的是N光子频率和横向动量正相关的纠缠源，则每对光子对的返回时间及横向坐标的平均返回时间和横向坐标即确定未知物体的距离和横向位置，其中未知物体的距离为屏幕上的横向位移则给出未知物体所处的方位。该方案相比于相同空间带宽的独立光子源可以实现目标位置不确定性的倍的减少，即在三个空间维度中的每个维度上实现了不确定性的倍减少。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种实现三维精度增强的量子雷达方法，其特征在于：该方法包括步骤：
S1：首先制备出频率和横向动量正关联的N-photon纠缠光子源；
S2：该光子源发射出去之后，覆盖需要探测的区域；如果光子遇到物体则会反射回来，反之光子就会传播出去；
S3：利用CCD探测器记录N个光子的返回时间和在接收屏上的横向坐标位置；
S4：计算N个光子的平均到达时间即未知物体与探测器之间的距离，同时计算N个光子的平均横向位移即未知物体所处的横向方位。
2.根据权利要求1所述的一种实现三维精度增强的量子雷达方法，其特征在于：所述纠缠光子源为其中代表量子态，代表量子态在频率和横向动量表象下的分布函数，代表产生算符，ω是光子的频率，代表光子的横向场动量。
3.根据权利要求1所述的一种实现三维精度增强的量子雷达方法，其特征在于：在所述步骤S3中：
如果量子雷达使用的是两光子频率和横向动量正相关的纠缠源，则每对光子对的返回时间及横向坐标的平均返回时间和横向坐标即确定未知物体的距离和横向位置，其中未知物体的距离为屏幕上的横向位移则给出未知物体所处的方位；
如果量子雷达使用的是N光子频率和横向动量正相关的纠缠源，则每对光子对的返回时间及横向坐标的平均返回时间和横向坐标即确定未知物体的距离和横向位置，其中未知物体的距离为屏幕上的横向位移则给出未知物体所处的方位。
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| CN108292175A (zh) * | 2015-11-25 | 2018-07-17 | 特里纳米克斯股份有限公司 | 用于光学检测至少一个对象的检测器 |
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