中國科學技術大學在量子激光雷達系統(tǒng)研究方面取得重大突破

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　　中國科學技術大學消息，近日，薛向輝教授領導的激光雷達團隊在量子激光雷達系統(tǒng)研究方面取得了重大進展。該團隊首次提出了基于上轉換量子干涉原理的測風激光雷達理論，并基于這一理論創(chuàng)新成功研發(fā)了樣機。相較于傳統(tǒng)的相干測風雷達，新系統(tǒng)實現(xiàn)了0-13km/s的速度動態(tài)探測范圍和7倍探測靈敏度的提升。這一成果于2024年8月15日發(fā)表在《ACS Photonics》上。

　　“看得遠、看得細，測得快、測得準”是激光雷達追求的目標。單光子激光雷達相比傳統(tǒng)激光雷達實現(xiàn)了單光子靈敏度的探測，性能有了極大的提升。然而，利用更多量子精密測量原理的量子雷達理論仍處于發(fā)展階段。自1987年雙光子(HOM)干涉被發(fā)現(xiàn)以來，HOM干涉已成為區(qū)分量子現(xiàn)象與經典物理學的關鍵基石，標志著量子探索新時代的到來。HOM干涉不僅在精確的時間測量和量子態(tài)分析方面發(fā)揮著基礎作用，還在量子信息處理的各種應用中成為核心?；贖OM干涉的量子精密測量理論和應用創(chuàng)新，已經成為當前的研究熱點。

　　薛向輝課題組利用HOM干涉和高階量子擦除使得來自不同光源的獨立光子展現(xiàn)出量子干涉現(xiàn)象，并基于該理論開發(fā)了一種基于上轉換探測器的雙光子干涉大氣激光雷達系統(tǒng)。這種方法具有單光子靈敏度、高量子效率、大檢測帶寬和多波長適用性。使用量子擦除結合光學壓縮采樣方法，該量子雷達系統(tǒng)能夠以MHz的采樣率記錄超過17 GHz帶寬(對應13km/s)的光學信號，解決了超高速目標連續(xù)檢測中弱信號的高采樣率和大數(shù)據(jù)存儲量問題，為實現(xiàn)高達數(shù)十公里/秒的超高速連續(xù)速度檢測鋪平了道路。

超過17GHz的探測帶寬，頻率探測誤差≤60MHz(波長計誤差60MHz)

　　在外場實驗中，量子干涉雷達系統(tǒng)使用70μJ能量實現(xiàn)了水平16km距離的風場探測，相比于現(xiàn)有激光雷達系統(tǒng)，風場探測一致性R2=0.997的情況下實現(xiàn)了7倍探測靈敏度的提升。

使用70μJ能量實現(xiàn)16km距離風場探測

　　該技術的核心在于利用雙光子干涉現(xiàn)象，并通過量子擦除抑制噪聲提高信噪比。雙光子干涉是一種量子光學現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中兩個光子之間會發(fā)生干涉，即使它們不同時存在也能觀察到相關性。量子擦除則是一種量子力學過程，可以通過操縱額外的光子來消除或恢復雙光子之間的量子糾纏狀態(tài)。

　　遠距離測風證明，該技術在弱信號測量方面具有巨大的潛力。無需使用頻率鑒別裝置即可檢測光學頻率，這是一種全新的檢測方法，結合了直接探測和相干探測的優(yōu)點。該雷達系統(tǒng)已經實現(xiàn)了光纖集成和緊湊化，未來有可能應用于連續(xù)遙感測量超高速移動軟硬目標。

　　審稿人對該工作給與了高度評價，稱贊“手稿介紹了一項在大氣激光雷達技術領域的重要進展”(the manuscript presents a significant advancement in the field of atmospheric lidar technology)、“特別重要的是，該方法相對于傳統(tǒng)技術提升了接近1個數(shù)量級的性能”(Specifically, they demonstrated that the efficiency is one order of magnitude higher than traditional detection methods)。

　　地球和空間科學學院的王沖副研究員和楊可欣博士是論文第一作者，薛向輝教授為論文通訊作者。該工作得到了張強、陶嵐和申屠國樑同志，以及國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等的支持。

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