量子技術,21世紀以來世界科學研究最前沿熱點之一。
雷射雷達,一種已被廣泛應用、性能挖掘潛力巨大的探測手段。
當量子技術遇到雷射雷達,會碰撞出怎樣的火花?強強相遇,兩敗俱傷還是相得益彰?
我們的科學家已用切實成果給出答案——將量子技術應用到雷射雷達,前者的應用範圍得以拓展,後者的性能極限一再突破,而融合二者優勢的量子探測雷射雷達一出現便引得世界矚目。
那麼,量子探測雷射雷達有何特別?能做什麼?
國耀量子雷達科技有限公司(以下簡稱國耀量子)就是一家專門從事高性能量子探測雷射雷達研究與應用的高科技企業,他們以優質產品和解決方案告訴世界,量子技術距離我們的生活並不遙遠,已經在反哺社會經濟、人民生活。
「高冷」量子技術遇「熱」
在量子力學中,如果某種物理量存在最小的、無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,而這個最小單位就是量子。量子是構成物質的最基本單元,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形態。
1900年,德國物理學家普朗克在研究黑體輻射問題時首次提出「量子」的概念。以量子為基礎衍生出的量子科學,是20世紀最重要的科學發現之一。
提到量子,人們總覺得它是「高冷」的,離自己的生活非常遙遠,其實並非如此。自量子力學發展以來,基於量子規律而發展應用的各種技術已經滲透到我們生活的方方面面。比如我們今天使用的計算機、筆記本電腦及手機等的晶片,其基本的計算單元電晶體就是基於量子力學中的能帶理論發明的。
近年,伴隨物理學科的不斷發展,人們關於量子的科學研究與應用,也從基於量子規律的宏觀應用,轉變為精準控制量子的技術應用。自20世紀90年代以來,量子技術逐步被應用於信息的獲取、存儲、傳遞、處理和使用等過程中,更在最近的短短20年裡取得巨大進步,並形成了量子保密通信、量子計算、量子精密測量等典型應用。
量子技術並不「高冷」,反而在各國都炙手可熱。英國於2015年啟動總額4億英鎊的「國家量子技術專項」;歐盟2018年初啟動總額超過30億英鎊的「量子技術旗艦項目」;2018年6月,美國眾議院通過為期10年的「國家量子行動法案」;之後不久,德國政府通過總投入6.5億歐元的量子技術研究的框架計劃——「量子技術:從基礎到市場」……
量子技術,已經成為世界新一輪科技革命的制高點,成為世界各國力爭的焦點之一。而各國的量子技術研究規劃中,無一例外均將量子保密通信、量子計算和量子精密測量放在了重中之重。
量子通信是指利用量子技術,傳輸量子狀態以達到經典通信無法達到的功能,諸如量子密鑰分發、量子隱形態傳輸等,目前量子密鑰分發是最接近實用的分支,其最大特點是能夠保障信息鏈路傳輸的無條件安全。基於世界首顆量子科學衛星「墨子」號的成功發射與在軌運行,以及逐步建成的「京滬幹線」(連接北京、上海,貫穿濟南和合肥全長2000餘公裡的量子通信骨幹網絡),我國首次描繪出了天地一體化的量子通信網絡藍圖,有助於國家信息安全與信息技術。
量子計算的最終目標是通用量子計算機,被稱為「夢想的超高速計算機」,其計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長,一臺操縱100個粒子的量子計算機,對特定問題的處理能力可達到目前全世界計算能力總和的100萬倍。專家介紹,通用量子計算機一旦實現,將對通信安全、導航、成像以及人工智慧、生物製藥、新材料研發等諸多領域產生顛覆性影響,帶來國家安全和社會經濟發展的極大變革。據報導,目前已有科學家開始進行量子計算機的實用嘗試,在中國,量子計算正從基礎研究邁入技術積存和集中攻關階段。
相對來說,量子精密測量的實現比量子計算要容易一些。利用高精度的量子信息處理技術,可以對時間、位置、重力等物理信息實現超越經典技術極限的量子精密測量,大幅度提升衛星導航、雷射制導、水下定位、醫學檢測和引力波探測等的準確性和精度。
而在中國,無論談到量子通信、量子計算,還是量子精密測量,都躲不開中國科學技術大學。
國耀量子就是中國科學技術大學量子技術研究團隊的成員響應國家鼓勵科研人員創業政策,積極推動量子技術創新成果產業化落地的結晶。
當雷射雷達「遭遇」量子技術
國耀量子的創始人均來自中國科學技術大學。
CEO夏海雲,雷射雷達專家,已從事雷射雷達研究16年,從飛秒雷射雷達,到亞洲首臺平流層測風雷射雷達,再到量子探測測風雷達、超導雙頻測風雷射雷達,成果頗豐。
CTO張強,量子通信專家,多年從事量子密碼、量子通信實驗研究和單光子探測器研製,量子物理學基本問題檢驗等,同樣成果卓著。
夏海雲和張強的合作,正是雷射雷達與量子技術的跨學科融合。如今看來,這一融合頗為成功。
雷射雷達已發展半個多世紀,其基本原理是:出射雷射脈衝與大氣相互作用,採用光學天線收集大氣後向散射信號,然後輸入光學接收機,經光電探測和數據處理後,得出一系列關鍵大氣參數,諸如氣溶膠濃度、PM2.5值、雲高、溫度、溼度、能見度、大氣成分(如水汽、各種汙染氣體成分)等。
夏海雲所研究的,是被世界氣象組織列為最具挑戰性的雷射雷達——測風雷射雷達。