近日，薛向輝教授領(lǐng)導(dǎo)的激光雷達(dá)團(tuán)隊(duì)在量子激光雷達(dá)系統(tǒng)研究方面取得了重大進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)首次提出了基于上轉(zhuǎn)換量子干涉原理的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)理論，并基于這一理論創(chuàng)新成功研發(fā)了樣機(jī)。相較于傳統(tǒng)的相干測(cè)風(fēng)雷達(dá)，新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了0-13km/s的速度動(dòng)態(tài)探測(cè)范圍和7倍探測(cè)靈敏度的提升。這一成果于2024年8月15日發(fā)表在《ACS Photonics》上。（doi.org/10.1021/acsphotonics.4c00302）
“看得遠(yuǎn)、看得細(xì)，測(cè)得快、測(cè)得準(zhǔn)”是激光雷達(dá)追求的目標(biāo)。單光子激光雷達(dá)相比傳統(tǒng)激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了單光子靈敏度的探測(cè)，性能有了極大的提升。然而，利用更多量子精密測(cè)量原理的量子雷達(dá)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(lái)，HOM干涉已成為區(qū)分量子現(xiàn)象與經(jīng)典物理學(xué)的關(guān)鍵基石，標(biāo)志著量子探索新時(shí)代的到來(lái)。HOM干涉不僅在精確的時(shí)間測(cè)量和量子態(tài)分析方面發(fā)揮著基礎(chǔ)作用，還在量子信息處理的各種應(yīng)用中成為核心。基于HOM干涉的量子精密測(cè)量理論和應(yīng)用創(chuàng)新，已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。
薛向輝課題組利用HOM干涉和高階量子擦除使得來(lái)自不同光源的獨(dú)立光子展現(xiàn)出量子干涉現(xiàn)象，并基于該理論開(kāi)發(fā)了一種基于上轉(zhuǎn)換探測(cè)器的雙光子干涉大氣激光雷達(dá)系統(tǒng)。這種方法具有單光子靈敏度、高量子效率、大檢測(cè)帶寬和多波長(zhǎng)適用性。使用量子擦除結(jié)合光學(xué)壓縮采樣方法，該量子雷達(dá)系統(tǒng)能夠以MHz的采樣率記錄超過(guò)17 GHz帶寬（對(duì)應(yīng)13km/s）的光學(xué)信號(hào)，解決了超高速目標(biāo)連續(xù)檢測(cè)中弱信號(hào)的高采樣率和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)高達(dá)數(shù)十公里/秒的超高速連續(xù)速度檢測(cè)鋪平了道路。
超過(guò)17GHz的探測(cè)帶寬，頻率探測(cè)誤差≤60MHz（波長(zhǎng)計(jì)誤差60MHz）
在外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，量子干涉雷達(dá)系統(tǒng)使用70μJ能量實(shí)現(xiàn)了水平16km距離的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)，相比于現(xiàn)有激光雷達(dá)系統(tǒng)，風(fēng)場(chǎng)探測(cè)一致性R2=0.997的情況下實(shí)現(xiàn)了7倍探測(cè)靈敏度的提升。
使用70μJ能量實(shí)現(xiàn)16km距離風(fēng)場(chǎng)探測(cè)
該技術(shù)的核心在于利用雙光子干涉現(xiàn)象，并通過(guò)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(xué)現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中兩個(gè)光子之間會(huì)發(fā)生干涉，即使它們不同時(shí)存在也能觀察到相關(guān)性。量子擦除則是一種量子力學(xué)過(guò)程，可以通過(guò)操縱額外的光子來(lái)消除或恢復(fù)雙光子之間的量子糾纏狀態(tài)。
遠(yuǎn)距離測(cè)風(fēng)證明，該技術(shù)在弱信號(hào)測(cè)量方面具有巨大的潛力。無(wú)需使用頻率鑒別裝置即可檢測(cè)光學(xué)頻率，這是一種全新的檢測(cè)方法，結(jié)合了直接探測(cè)和相干探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。該雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光纖集成和緊湊化，未來(lái)有可能應(yīng)用于連續(xù)遙感測(cè)量超高速移動(dòng)軟硬目標(biāo)。
審稿人對(duì)該工作給與了高度評(píng)價(jià)，稱贊“手稿介紹了一項(xiàng)在大氣激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域的重要進(jìn)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(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)提升了接近1個(gè)數(shù)量級(jí)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(xué)學(xué)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(qiáng)、陶嵐和申屠國(guó)樑同志，以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。
（地球和空間科學(xué)學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
