本文探討了量子雷達的基本原理、應用與優勢、需克服的挑戰與未來技術。英文原文發布於JED雜誌2019年的7月刊上，需要英文原文請給「雷達通信電子戰」微信公眾號發送「191015」。
關於量子雷達技術的討論都從被描述為光子的「纏繞對」開始，它們是兩個光子，每個光子都是可以處於可測量的物理性質（位置，動量，自旋，極化）的兩個量子態之一，但是每個粒子的狀態依賴於（相關）另一個的狀態，即使它們彼此分開。
纏繞光子對通常通過稱為參數向下轉換的過程產生，其中雷射束穿過非線性晶體（通常是β硼酸鋇）。該方法用於在可見光範圍內產生纏繞光子對。對於量子雷達應用，這些光子必須下轉換為微波頻率。
加拿大滑鐵盧大學的量子計算研究所（IQC）的克裡斯威爾遜，在論文「量子增強噪聲雷達」中描述了使用超導電路直接在微波範圍內產生纏繞光子對的工作成果。作為超導鋁的片上微波電路構建的非簡併約瑟夫森參量放大器被用作量子微波源。該過程中的一個挑戰是必須在極冷的低溫恆溫器下進行。
理論上，使用纏繞光束，你可以得到目標的整個動量矢量，不僅是它的都卜勒速度，而是它的整個動量矢量，所有三個維度以及目標運動的那些維度的所有三個幅度。
對量子雷達的討論變得更加可變，至少在一般媒體中，對量子雷達操作機制的截然不同的解釋或描述會經常發生。
在一種方法中，該過程開始於成對的纏繞光子被分開時，每對中的一個直接沿著存儲路徑發送（空閒光子），而夥伴光子被轉換為微波頻率（微波光子）並作為傳統波形向目標傳輸。
前提是，在與目標相互作用時，微波光子的量子態將以某種方式（例如相位或極性）改變。在源處接收來自目標的反射返回信號，並且將光子反向轉換到它們的原始頻率狀態，然後可以將其與它們未改變的閒散纏繞對的頻率進行比較，以提供關於它們遇到的信息。
然而，還有另一種量子雷達理論的描述，它描述了一種「遠距離的怪異動作」連結（阿爾伯特愛因斯坦創造的一個術語），其中一個分裂的纏繞對的一個光子作為「光子束」傳輸。
然而，在這種情況下，無論它們之間的距離如何，所傳輸的光子以某種方式連續且瞬時地與其纏繞對保持通信。傳輸的光子不會返回其源，但未傳輸的光子本身也會根據其纏繞對看到的環境而發生變化，從而提供有關它遇到的可能目標的信息，而沒有任何已知的連接。因此稱為「怪異」的描述。
由於他們的量子雷達項目工作，洛克希德團隊定義了兩大類量子雷達（稱為QuDAR）。
然而，正如洛克希德·馬丁公司（馬裡蘭州貝塞斯達）的首席科學官Ned Allen博士所描述的那樣，作為2005年DARPA戰略技術辦公室（STO，研究量子雷達觀念和主意）項目的一部分，洛克希德·馬丁公司研究了「遠距離的幽靈行動」這一概念，他們稱之為「不歸路雷達」。
根據艾倫的說法，他們認為，「這是對愛因斯坦狹義相對論的一種忤逆，而狹義相對論遠比量子物理學更加準確和可信。在研究了一段時間並將來自各大學和其他頂級科學實體的一組主題專家拉到一起之後，我們沒有進一步研究這個問題，因為我們認為根據物理定律這是不允許的。
今天艾倫也認識到「物理學目前正處於動蕩時期，並且正在重新考慮其中的許多問題。他還指出：「雖然尚不清楚我們已經理解了足夠的物理學來實際完全排除它，但鑑於當時可以獲得的物理表現形式我們是非常有信心，然而至今這仍然是不被承認的。」
由於他們的量子雷達項目工作，洛克希德團隊定義了兩大類量子雷達（稱為QuDAR）-Class1是所有量子效應保留在雷達發射器/接收器上的地方，Class2是「量子資源」（光子）通過有損介質（即大氣）從點A傳輸到點B。
艾倫說如今正在開發Class1量子雷達，「但它不叫量子雷達，而是發射/接收模塊上電子器件的『靈敏度的提高』，例如一個更好的低噪聲放大器。」 滑鐵盧大學IQC副教授Jonathan Baugh對此表示贊同：「這是'量子雷達'系統開發的近期效益之一，其中更靈敏的探測器和量子啟發的信號處理方法可能會被用來改善經典的雷達能力。」
Class1量子雷達技術可能會對隱身目標探測產生影響，正如艾倫所指出的那樣，「從數學的角度來看，隱身只是目標雷達截面（RCS）的減少，因為它是信號噪聲比（SNR）決定目標是否可檢測，如果你通過降低具有良好量子功能的接收器/發射器雷達中的內部噪聲來增加SNR，則可以檢測越來越小的目標。Class1量子雷達可能有助於打敗一些隱身方法。
Class2量子雷達可以進一步區分纏繞對（閒散光子和透射光子）在時間和距離上保持其相干性的程度。在一種情況下，從目標返回的檢測到的反向散射光子將完全保持它們的相干性。這將測量目標的更多方面，而不僅僅是它的存在和都卜勒效應。正如艾倫所描述的那樣，「量子相互作用本質上是沿著無限多個維度測量目標的存在，而不僅僅是幅度和相位，而是量子裝置（光子）的無數個屬性。
原則上，使用糾纏光束，你可以得到的是目標的整個動量矢量，不僅是它的都卜勒速度，而是它的整個動量矢量，所有三個維度以及目標運動的那些維度的所有三個幅度。
除了去相干之外，量子雷達的另一個挑戰是光子通量，即每單位時間產生和傳遞的糾纏光子的數量。正如IQC的Baugh所解釋的那樣，「假設你每隔納秒發送一次光子（1-GHz速率），但如果只有1/1000或1/10000實際上被反射回給你，那麼你只是檢測到大約每毫秒一次光子。為了建立一個有用的圖像，你需要非常快速地發出光子，以便在合理的時間內獲得足夠的信息。」
Baugh正在與加拿大國防研究與發展部（DRDC）機構共同開展一項研究項目，以開發一種改進的量子光源，其中一種應用是量子雷達。該項目的目的是提供糾纏光子的「非常高速率」信號，雖然該方法的細節尚未公布，但由於IQC尚未公布該技術，Baugh將其描述為「類似於半導體，納米電子器件，工作在單電子水平，允許將電信號轉換為光子或一對糾纏光子。」
由於光源工作在光學而不是微波狀態（大約850 nm - 接近IR，僅在可見光的邊緣），直接應用將是雷射雷達，但Baugh說「最終這個想法是世界上其他群體正在致力於從可見光到微波頻率的相干量子波長轉換的研究，他們研究的成果將成為我們技術的途徑。」
今天，在研究量子雷達技術的發展狀況和可能的實際實現時，最有希望的方法，通常被認為是在可預見的未來最可實現的方法，被稱為量子照明雷達（QIR）。
QIR的糾纏對的返回發射光子不需要保持與其他閒置光子的一致性，以便提供關於發射光子遇到的目標的重要信息。
Baugh說QIR可以提供許多優於傳統雷達的優勢。「通常情況下，使用常規雷達，雷射雷達或任何類型的遙感，發出一個能量脈衝，其中包含數十億或數萬億個光子；這是從物體上反射電磁輻射的經典方法。回到探測器，允許測量飛行時間並計算到物體的距離，隨著時間的推移計算其速度和方向。
相比之下，QIR雷達在單光子水平上運行，所以從成對的糾纏光子開始，由於量子力學的原理，這些光子本身具有比它們本來更強的相關性。如果傳回的光子被反射回來，可以對兩個光子進行聯合測量，顯示這兩個光子實際上是否最初是相關的，這樣就可以分離出任何不相關的光子，但可能只是背景噪聲。
由於尺寸縮小到非常低的功率（單光子）水平，量子雷達在信噪比方面提供了顯著的改善。
從根本上說去相關性在很大程度上與我們尚未真正理解的熱力學第二定律相關，如果有人能夠找到克服的方法，研究將會非常方便。
儘管如此，Baugh所強調，「QIR雷達不會取代傳統的雷達。相反，我們的想法是增強傳統雷達在特定體系受到挑戰的能力，例如在低信噪比環境中有一個非常強的背景信號。想要用於檢測的相同頻率範圍，或者試圖檢測隱形目標，或者想要使檢測本身隱身。」
Baugh指出QIR的另一個優點是，由於單光子束工作的「微小」功率水平，QIR可以提供探測，同時自身仍未被檢測到。「目標不知道它被照亮了，因為用於檢測它的每單位時間的光子數量太少而幾乎不可能測量。QIR比傳統的雷達或雷射雷達低9-10個數量級的功率。」
在Bhashyam Balaji 的2018年的論文中總結了QIR的前景如下：「量子照明雷達絕對可以建造，但是，建立一個QIR將需要協調一致的努力（即雷達工程指標）和合適的投資。
在最佳量子雷達設計或最佳量子信號處理方面還有許多未知之處。然而，「最優不應該是更好的敵人」。這些努力將需要雷達工程師掌握微波量子光學，這是在市場非常重要的應用，收益將是巨大的。
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