新“千里眼”量子照相机

文/《财经国家周刊》记者 李庭煊

能给10多公里外的目标拍照，夜视能力出众，还能看穿云层。在众多以“量子”为前缀的高科技事物里，如今又多了一件：量子照相机。

这种相机是个不折不扣的“千里眼”，而它的衍生品量子雷达，则是新一代的隐形飞机杀手，目前正在被各国加紧研制。但要从量子照相机变为量子雷达，就如同从收音机到移动电话，还需一段漫长的技术演进过程。

可看透云层的“鬼”成像

2015年7月，据媒体报道，中国航天科技集团公司研制出一台无源单像素量子相机原理样机，并成功实现了约17公里远目标的可见光成像。

近日，记者在中国国际通信展上见到了这台神奇的量子相机，它的外形是个宽0.5米长1米的绿色金属箱，镜头和感光原件全在金属箱体内，透着一股神秘感。

现场工作人员介绍，这台相机通过双组镜头分别接受太阳光以及目标反射光，并通过对比两种光，进行量子关联算法来重建目标的图像。

为什么这么复杂？事实上，这就是量子相机的特别之处。

对于一般的相机来说，要给物体拍照，就必须用光照射物体，使被照射物体散射或透射出大量光到感光元器件上，从而获得物体的一个图像。

然而在很多情况下比如微光环境，相机的感光元件无法获得大量的光。这时候要成像，有两种办法，一种是利用红外线。

任何比绝对零度（零下273摄氏度）温度高的物体，都会向外辐射红外线。基于这个原理，在相机内设置接受红外线感光器，就可实现红外成像。

不过红外线相机无法穿透高温烟雾，这一缺陷在航天领域很致命，卫星上的相机如果无法穿越云层，将不能及时反馈地表情况。

另一种微光成像技术就是量子成像。科学家对量子成像最早的认识是半个世纪前，英国天体物理学家汉伯里•布朗（Hanbury Brown）和特威斯（Twiss）为获得天体尺寸而开展的HBT实验。

两人在试验中发现，当一束光被分为两束时，两者的光强存在关联性。这与当时普遍认为光子是不会相互影响的观点相悖。该现象也被称为“光子聚束效应”。

之后经过数十年的发展，尤其是激光技术的突飞猛进，1995年美国马里兰大学首次完成了被称为“鬼成像”的量子成像实验。

“鬼成像”就是在HBT实验的基础上，在一束光的光路内放置物体，而后对比两束光的光强数据，随后可得到放置物体的图像。

早期的量子成像必须在特定的光源下进行，而且只能得到物体的轮廓。而随着微电子技术的发展，以及量子关联算法的优化，目前的量子成像已经能在自然光源下，得到物体清晰的图像。

2014年，美国防务系统网站披露，美国陆军研究实验室（ARL）正在开发一种可“看穿”烟雾和热浪的量子成像技术。在披露资料中，该系统进行了距离2.33千米的成像测试，在低光和气流紊乱情况下获取了清晰度令人惊讶的图像。

ARL自称，该团队自2003年就开始研究量子成像，2007年发明远程量子成像，该技术将提高地面、卫星和无人机的情报、监视、侦察能力。

反隐利器量子雷达

相比红外成像，量子成像技术除了在微光领域表现抢眼，更重要的是，为量子雷达的实现打下了基础。

随着复合材料以及航空发动机技术的进步，低可探测性的隐形飞机成为今日天空霸主。如今应对隐形飞机的雷达系统众多，而量子雷达被公认为未来最有效的反隐形手段之一。

2008年，美国麻省理工学院教授劳埃德首次提出基于光波照射方式的量子雷达系统。这种量子雷达的原理与量子相机相似，只不过将相机接受的太阳光，变为探测光波。

量子雷达内也有两台接收器，一台备份探测光波，另一台接受被照目标物回波，而后将两种波进行对比，根据量子关联算法得出目标图像、方位等信息。

根据实验结果，劳埃德表示，随着探测光波复杂程度的上升，被照射物体可探测性将呈几何倍的增长。

相比传统雷达，因光波的复杂性，被探测目标很难通过吸收、复制等方式干扰量子雷达。这就如同将标记目标的物质由颜料换成了荧光粉，极大提高目标的可探测性。

此外，在传统雷达领域，必须拥有隐形技术的国家才能获取反隐形能力。而量子雷达是另辟蹊径，即便没有掌握隐形技术，也可实现反隐形。因此，各国都在研发量子雷达，只是披露情况不一。

当然，有盾就有矛，目前针对低复杂度的探照光波，已可以进行复制并因此使得量子雷达致盲。

2013年1月，美国纽约罗切斯特大学的一个研究小组公布其研发出了可探照物体的量子雷达。但该研究小组在发表成果的同时也表示，他们的雷达系统并非完美。因为其所用的探照光所含的几种粒子容易被“吸走”和复制，敌方可对量子雷达进行同频探照光波辐射。

这将使量子雷达不能开展量子关联运算而致盲。而目前，世界各地的很多实验室都拥有这种干扰设备。

除了在军事领域，在民生领域量子雷达也有用武之地。

2015年4月，由英国约克大学量子信息科学家领导的一个国际研究小组开发出一种量子雷达原型。该组织表示，其发明量子雷达是个混合系统，能利用微波与光束之间的量子相关性来探测物体，如癌细胞这类低反射率目标。

国际研究小组负责人之一的皮兰多拉博士介绍，从长远来看，这种量子雷达能以非入侵的方式检查生物样本或人类组织中是否存在缺陷。“在医疗中，这些技术可用在磁共振成像中，降低病人身体吸收的辐射剂量。”

量子雷达虽然是新一代的雷达系统，可带来革命性的应用机遇，但目前，它仍然处于实验室阶段。

即便是最为领先的军事领域，美国纽约罗切斯特大学和英国约克大学的量子雷达，也只是解决了探照问题，还不能实现追踪、锁定目标等功能。人们要见到可用于实战的量子雷达恐怕还得等上多年。