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，并基于這一理論創新成功研發了樣機。相較于傳統的相干測風雷達，新系統實現了0-13km/s的速度動態探測范圍和7倍探測靈敏度的提升。這一成果于2024年8月15日發表在《ACS Photonics》上。（doi.org/10.1021/acsphotonics.4c00302）
“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激光雷達實現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展階段。自1987年雙光子（HOM）干涉被發現以來，HOM干涉已成為區分量子現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分析方面發揮著基礎作用，還在量子信息處理的各種應用中成為核心。基于HOM干涉的量子精密測量理論和應用創新，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出量子干涉現象，并基于該理論開發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。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檢測中弱信號的高采樣率和大數據存儲量問題，為實現高達數十公里/秒的超高速連續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，量子干涉雷達系統使用70μJ能量實現了水平16km距離的風場探測，相比于現有激光雷達系統，風場探測一致性R2=0.997的情況下實現了7倍探測靈敏度的提升。
使用70μJ能量實現16km距離風場探測
該技術的核心在于利用雙光子干涉現象，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象，在這種現象中兩個光子之間會發生干涉，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。
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點。該雷達系統已經實現了光纖集成和緊湊化，未來有可能應用于連續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，該方法相對于傳統技術提升了接近1個數量級的性能”(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，以及國家重點研發計劃、國家自然科學基金等的支持。
（地球和空間科學學院、中國科學院量子信息與量子科技創新研究院、科研部）
