强噪声高损耗环境目标探测的量子照明原理与技术

Quantum illumination is a novel target detection technique proposed and demonstrated very recently. It exploits the strong quantum correlation of frequency and time entangled light.Under strong noisy background and high loss environments, the detection sensitivity and spatial revolution are drastically improved, compared to classical coherent laser target detection. Thus quantum illumination target detection has tremendous potentials in future practical applications. This project aims at to make deeply and detailed investigations on the concept and principle of quantum illumination. By employing entanlement swapping and single photon optical parametric amplication (OPA) in quantum illumination target detection, we explore the possiblities of providing solutions to the two key technology problems of time delay and synchronization of signal photon and idler photon and the scheme of optimal receiver. Research the methods of optimal receiving, develop experimental settings, and perform comparison experiments to demonstrate the quantum enhancement effect. This project would provide new principle, knowledge reserve, and technical support for space optical target detection.

量子照明是新近提出并得到初步实验验证的一种目标探测新技术，该技术利用频率与时间纠缠光的强量子关联特性对目标进行探测，在强热噪声光子背景和大气损耗环境下探测灵敏度和空间分辨率比传统上采用的热光和激光目标探测有大幅度提高，具有重要应用潜力。本项目旨在深入研究基于纠缠光量子照明目标探测这一新概念与新原理，探索通过在量子照明目标探测中引入纠缠交换和单光子相位敏感光参量放大两种方法，解决量子照明目标探测应用中信号光与闲置光的联合探测时间延迟与同步及最优接收机方案两个关键问题。探索最优化量子照明接收机原理与技术方案，研制纠缠光产生与表征模块和单光子相位敏感光参量放大器，构建量子照明目标探测实验装置，进行量子照明目标探测的量子增强效果对比试验，为国家的空间光学目标探测技术提供新的原理方案、知识储备和技术支撑。

本项目旨在研究量子照明目标探测这一新概念与新原理。基于量子力学和信息论发展起来的量子照明技术能够突破标准量子极限的限制，增强目标探测和识别的灵敏性、准确性以及抗干扰性，在遥感探测、目标侦查等领域具有重大应用前景。首先，我们基于非线性参量下转换过程搭建了量子照明用量子光源，并进行了Bell不等式、时间/位置关联等一系列表征测量；其次，我们基于光与物质相互作用的半经典理论研究了量子照明光源新机制，结果表明通过相干诱导光栅结构可以对光场的传输性质进行有效调控；然后，我们进行了量子照明目标探测的理论和实验研究，研究了基于量子照明协议目标探测的高斯态分析方法，建立了量子增强目标探测模型，分析了量子照明目标散射截面特性，搭建了量子照明目标探测实验平台，完成了实验验证并进行了纠缠光量子照明目标关联成像探测；最后，为了研究量子照明目标探测的量子增强效果，我们搭建了经典照明对比系统，研究结果表明在相同条件下量子探测的系统信噪比与目标识别能力较经典探测均增强10倍以上。此外，为了比较纠缠光子量子照明目标探测相对于非纠缠光子照明目标探测的量子增强性能，我们还构建了基于单光子计数的新一代激光测距及成像系统，对基于盖革单光子探测器的测距和成像进行了理论和实验研究，对比了多种不同的信号处理方法用于光子计数三维图像重构的效果。本项目以上研究进展解决了基于量子照明的精准目标探测和识别的关键技术难题，验证了利用量子照明进行精准目标探测的有效性和优越性，为国家的空间光学目标探测技术提供了新的原理方案、知识储备和技术支撑。