中国科大在量子激光雷达系统研究方面获得重大突破

近日，中国科大薛向辉教授领导的激光雷达团队在量子激光雷达系统研究方面取得了重大进展。该团队首次提出了基于上转换量子干涉原理的测风激光雷达理论，并基于这一理论创新成功研发了样机。相较于传统的相干测风雷达，新系统实现了0-13km/s的速度动态探测范围和7倍探测灵敏度的提升。这一成果于2024年8月15日发表在《ACS Photonics》上。

“看得远、看得细，测得快、测得准”是激光雷达追求的目标。单光子激光雷达相比传统激光雷达实现了单光子灵敏度的探测，性能有了极大的提升。然而，利用更多量子精密测量原理的量子雷达理论仍处于发展阶段。自1987年双光子（HOM）干涉被发现以来，HOM干涉已成为区分量子现象与经典物理学的关键基石，标志着量子探索新时代的到来。HOM干涉不仅在精确的时间测量和量子态分析方面发挥着基础作用，还在量子信息处理的各种应用中成为核心。基于HOM干涉的量子精密测量理论和应用创新，已经成为当前的研究热点。

薛向辉课题组利用HOM干涉和高阶量子擦除使得来自不同光源的独立光子展现出量子干涉现象，并基于该理论开发了一种基于上转换探测器的双光子干涉大气激光雷达系统。这种方法具有单光子灵敏度、高量子效率、大检测带宽和多波长适用性。使用量子擦除结合光学压缩采样方法，该量子雷达系统能够以MHz的采样率记录超过17 GHz带宽（对应13km/s）的光学信号，解决了超高速目标连续检测中弱信号的高采样率和大数据存储量问题，为实现高达数十公里/秒的超高速连续速度检测铺平了道路。

超过17GHz的探测带宽，频率探测误差≤60MHz（波长计误差60MHz）

在外场实验中，量子干涉雷达系统使用70μJ能量实现了水平16km距离的风场探测，相比于现有激光雷达系统，风场探测一致性R2=0.997的情况下实现了7倍探测灵敏度的提升。

使用70μJ能量实现16km距离风场探测

该技术的核心在于利用双光子干涉现象，并通过量子擦除抑制噪声提高信噪比。双光子干涉是一种量子光学现象，在这种现象中两个光子之间会发生干涉，即使它们不同时存在也能观察到相关性。量子擦除则是一种量子力学过程，可以通过操纵额外的光子来消除或恢复双光子之间的量子纠缠状态。

远距离测风证明，该技术在弱信号测量方面具有巨大的潜力。无需使用频率鉴别装置即可检测光学频率，这是一种全新的检测方法，结合了直接探测和相干探测的优点。该雷达系统已经实现了光纤集成和紧凑化，未来有可能应用于连续遥感测量超高速移动软硬目标。

审稿人对该工作给与了高度评价，称赞“手稿介绍了一项在大气激光雷达技术领域的重要进展”(the manuscript presents a significant advancement in the field of atmospheric lidar technology)、“特别重要的是，该方法相对于传统技术提升了接近1个数量级的性能”(Specifically, they demonstrated that the efficiency is one order of magnitude higher than traditional detection methods)。

地球和空间科学学院的王冲副研究员和杨可欣博士是论文第一作者，薛向辉教授为论文通讯作者。该工作得到了张强、陶岚和申屠国樑同志，以及国家重点研发计划、国家自然科学基金等的支持。

相关链接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c00302