量子纠缠微波信号应用于无线电导航的关键问题研究

A whole new kind of ratio signal, the entangled microwave signal, is presented in this project, which mainly focuses on the ability to generate the entangled microwave signal based on the Josephson junctions, the decoherence effect in the transmission channel and the coincide detection for space-time correlation of dual-frequency continuous variable entanglement. Analysis based on numerical computation and experiments relying on scaling simulation with hardware-in-the-loop are the main methods. They will help to figure out the key issues as the correlation model between the efficiency of generating entangled microwave photons and the power density, the algorithms of selecting the proper amount of compression photons and the optimum entanglement, and the robust methods of coincidence detection for dual-frequency continuous variable entanglement. With the help of the particle nature of microwave, which have the ability of strong particle correlation and quantum teleportation, quantum radio navigation will break through the barriers of physical measurement limit and anti-interference in traditional navigation. By significantly elevating the parameter measuring precision and the ability of weak signal detection and anti-interference performance, it will meet the weapon platform’s requirements of high reliability and precision navigation guidance to acquire safe and reliable navigation information in the information war.

本项目将量子纠缠微波信号作为一种新型的无线电导航信号，针对基于约瑟夫森结的量子纠缠微波信号生成能力、量子纠缠微波信号传输信道消相干影响效果、双频连续变量纠缠时空关联特性符合探测方法等三部分内容展开研究，以基于数值计算的理论分析和半实物缩比仿真实验的方法手段，解决其中的纠缠微波光子生成效率与作用区内功率密度关系模型、信道中计算选择适合压缩光子数和最佳量子纠缠度的算法、纠缠微波信号连续变量双频符合关联检测的抗差方法等关键科学问题，依靠纠缠粒子强关联、隐形传态等特性，在粒子性层面运用电磁波信号实现量子无线电导航，能够突破无线电导航信号在参数量测精度、保密抗干扰等性能上受到的物理极限制约，创新无线电导航系统体制，大幅提升无线电导航参数量测精度、弱信号检测能力、保密抗干扰等性能水平，达到满足武器平台高可靠精密导航制导控制性能要求，占据信息化战争条件下获取安全可靠导航信息优势地位的目标。

随着现代化的发展，无线电导航在航空航天飞行器引导、作战武器制导、全球定位等军民领域广泛应用，地位越来越重要。量子纠缠微波信号作为一种新型无线电信号，伴随着量子信息技术的发展进步而出现，具有时空强关联、真随机和量子不可克隆等非经典特性。将量子纠缠微波信号应用于无线电导航，有望解决传统无线电导航在测量精度、保密抗干扰、弱信号检测等方面存在的问题，从而满足未来对更高性能的导航制导控制的发展需求。针对量子纠缠微波信号及导航应用关键问题，项目组开展了量子纠缠微波信号生成、传输、检测及应用研究，主要取得了以下研究成果：（1）提出了一种基于哈密顿量和von Neumann熵的量子纠缠微波信号生成质量评估方法；分析了纠缠微波生成器的电路组成和参数选择；分析了压缩真空态通过分束器后的纠缠特性。（2）提出了一种基于分束器的部分检测模型，从理论上分析了理想环境下量子纠缠微波信号的传播检测效率以及影响因素；定量分析了有损环境下的纠缠退相干，估算了量子纠缠微波信号在自由空间中的有效作用距离。（3）提出了一种基于纠缠见证的量子纠缠微波信号检测方法。（4）设计了量子纠缠微波导航测距测角方案，分别分析了量子纠缠微波导航测距测角的精度、抗欺骗干扰能力、抗多径干扰能力和弱信号检测能力，并与经典微波信号导航性能进行了对比，论证了量子纠缠微波导航性能优势。针对以上研究内容，项目共发表学术论文29篇，其中SCI检索18篇，EI检索9篇，申请国家发明专利5项，培养青年研究骨干1名，博士研究生3名、硕士研究生7名。本项目成果为加速新型量子无线电导航系统体制建设，实现更高精度的导航参量测量，突破传统导航精度极限，提升抗多径、抗干扰等系统性能提供理论支撑。同时，在量子纠缠微波信号特性等基础问题和应用问题上取得的成果，也能够为量子信息技术在通信、雷达等领域的深入应用提供理论和技术支持。