一种基于N光子纠缠态的量子增强相控阵方法及系统

本发明涉及量子信息，尤其涉及一种基于n光子纠缠态的量子增强相控阵方法及系统。

背景技术：

1、近年来，随着量子信息科学的发展，量子雷达这一新兴概念应运而生。量子雷达通过利用纠缠光子、压缩态光场等量子资源，有望突破传统雷达在低信噪比、弱目标回波以及强背景噪声条件下的探测限制，从而提升系统探测性能。

2、现有量子雷达系统通常工作在低发射功率条件下，通过量子照明等方式提高目标检测能力。例如，部分方案利用双模纠缠态或压缩真空态构建量子照明网络，以增强弱回波信号的检测性能。然而，现有技术多集中于目标检测、信噪比提升和抗噪声性能改善，并未充分结合相控阵结构实现波束形成和波束扫描。

3、传统相控阵通过调节不同阵元之间的相位关系来控制波束指向，已广泛应用于雷达、通信和成像等领域。但是，传统相控阵的波束形成性能受到阵列孔径、阵元间距和工作波长等因素限制。当需要获得更窄波束或更高空间分辨率时，通常需要增大阵列孔径或增加阵元数量，导致系统结构复杂、体积增大且成本提高。

4、由此可见，现有量子雷达技术虽然能够利用量子资源提升探测性能，但尚未有效解决相控阵波束形成中的孔径限制问题；现有相控阵技术虽然能够实现波束扫描，但仍受经典波束形成机制约束，难以在相同阵列孔径下进一步提升波束形成性能。

技术实现思路

1、本发明通过提供一种基于n光子纠缠态的量子增强相控阵方法及系统，解决了现有技术中虽然能够实现波束扫描，但仍受经典波束形成机制约束，难以在相同阵列孔径下进一步提升波束形成性能，实现了量子增强的波束形成和目标探测。

2、第一方面，本发明提供了一种基于n光子纠缠态的量子增强相控阵方法，该方法包括：

3、制备m模n光子纠缠态量子信号，并将所述m模n光子纠缠态量子信号分配至m个发射通道，得到各发射通道对应的分配后纠缠态量子信号；

4、根据预设波束指向角，确定相邻发射通道之间的第一相位差，并根据所述第一相位差分别调节各所述发射通道中设置的第一光子移相器的第一相位，对对应发射通道的分配后纠缠态量子信号施加第一相位调控，得到各发射通道对应的经相位调制的纠缠态量子信号；

5、将各发射通道对应的经相位调制的纠缠态量子信号发射至目标区域，产生回波信号；

6、接收所述回波信号，并通过多模分束器将所述回波信号分配至m个接收通道，得到各接收通道对应的回波信号；

7、通过各所述接收通道中设置的第二光子移相器，对对应接收通道的回波信号施加第二相位调控，以补偿各接收通道之间的相位差异，得到各接收通道对应的相位补偿后的回波信号；

8、将各接收通道对应的相位补偿后的回波信号进行量子相干合成，并对合成后的信号进行量子关联测量，获得目标探测结果。

9、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述根据预设波束指向角，确定相邻发射通道之间的第一相位差，并根据所述第一相位差分别调节各所述发射通道中设置的第一光子移相器的第一相位，对对应发射通道的分配后纠缠态量子信号施加第一相位调控，得到各发射通道对应的经相位调制的纠缠态量子信号，包括：

10、根据预设波束指向角，确定相邻发射通道之间所需的第一相位差；

11、根据所述第一相位差，分别调节各所述发射通道中第一光子移相器的调控相位，以对对应发射通道的分配后纠缠态量子信号施加所述第一相位调控；

12、其中，所述第一相位表示为；

13、；

14、其中，表示波矢，；表示光波波长；表示相邻发射通道之间的间距；表示预设波束指向角；表示第个发射通道的相位调控量；表示第个发射通道的相位调控量。

15、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述回波信号表示为：

16、；

17、其中，表示第个接收通道接收到的信号的数学表示，即光场模式；表示信号从发射端经目标反射至接收端的信道总透射率；表示第个发射通道中经相位调制后发射至自由空间的信号光场分量；表示第个接收通道所引入的背景噪声光场分量。

18、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述通过各所述接收通道中设置的第二光子移相器，对对应接收通道的回波信号施加第二相位调控，以补偿各接收通道之间的相位差异，得到各接收通道对应的相位补偿后的回波信号，包括：

19、根据各所述接收通道的空间排布，确定相邻接收通道所接收的回波信号之间因传播路径不同所产生的传播路径差；

20、根据所述传播路径差，确定各所述接收通道对应的第二相位补偿量；

21、根据各所述接收通道对应的第二相位补偿量，分别调节各所述接收通道中第二光子移相器的相位，对各对应接收通道的回波信号进行相位补偿，以消除所述相位差异，得到各接收通道对应的相位补偿后的回波信号。

22、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述各接收通道对应的相位补偿后的回波信号表示为：

23、；

24、其中，表示第个接收通道接收到的回波信号的数学表示，即光场模式；表示相邻接收通道之间通过所述第二光子移相器施加的补偿相位差；为接收通道总数；表示第个接收通道对应的相位补偿因子，即第个接收通道相对于首个接收通道的累积相位旋转量。

25、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述对合成后的信号进行量子关联测量，获得目标探测结果，包括：

26、将经量子相干合成后的总回波信号输入量子关联测量装置，进行n阶量子符合关联测量，获得在不同波束指向角下的回波信号响应强度分布；

27、从所述响应强度分布中提取出与所述预设波束指向角对应的信号响应峰值；

28、将所述信号响应峰值与预设的目标检测阈值进行比较，若所述信号响应峰值大于等于预设阈值，则判定在所述预设波束指向角对应的方向上存在目标，并将判定结果作为所述目标探测结果。

29、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述m模n光子纠缠态量子信号表示为：

30、；

31、其中，表示所述发射通道的总数，表示纠缠光子数。

32、第二方面，本发明提供了一种基于n光子纠缠态的量子增强相控阵系统，该装置包括：

33、量子信号产生装置，用于制备m模n光子纠缠态量子信号，并将所述m模n光子纠缠态量子信号分配至m个发射通道；

34、发射通道阵列，包括m个发射通道，各所述发射通道中均设置有第一光子移相器，所述第一光子移相器用于对对应发射通道中的量子信号进行第一相位调控；

35、接收通道阵列，用于接收目标区域反射后的回波信号；

36、多模分束器，设置于所述接收通道阵列的输入端，用于将所述回波信号分配至m个接收通道；

37、各所述接收通道中均设置有第二光子移相器，所述第二光子移相器用于对对应接收通道的回波信号进行第二相位补偿；

38、量子相干叠加测量装置，用于对各接收通道经相位补偿后的回波信号进行相干合成和量子关联测量，以获得目标探测结果。

39、本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

40、本发明通过制备m模n光子纠缠态量子信号，并将m模n光子纠缠态量子信号分配至m个发射通道，得到各发射通道对应的分配后纠缠态量子信号；此步骤利用了m模n光子纠缠态量子信号的多模量子纠缠特性，为后续的多通道量子信号处理提供了具备n阶相位累积效应的量子资源，从源头上奠定了实现量子增强波束形成的基础，使得系统能够利用高阶量子相干性而非经典光场的一阶相干性参与后续的调控与合成。通过各发射通道中设置的第一光子移相器，对对应发射通道的分配后纠缠态量子信号施加第一相位调控，得到各发射通道对应的经相位调制的纠缠态量子信号；该步骤根据预设的波束指向角，精确设定了相邻发射通道之间的相位差，实现了对各发射通道输出量子信号相对相位的主动控制，从而使得系统能够在不改变阵列物理结构和阵元位置的前提下，仅通过电控移相器即可完成波束指向的快速切换和空间扫描。将各发射通道对应的经相位调制的纠缠态量子信号发射至目标区域，产生回波信号；在此过程中，各路经过相位调制的量子信号在自由空间中发生量子相干叠加，由于n光子纠缠态的特殊相位积累效应，量子信号在预设指向角方向上形成主瓣极窄的量子干涉波束，从而在目标区域实现了远优于经典相控阵的定向能量集中，显著增强了入射至目标表面的量子信号强度。接收回波信号，并通过多模分束器将回波信号分配至m个接收通道，得到各接收通道对应的回波信号；利用多模分束器将目标反射后的回波信号进行等幅分配，确保各接收通道获得的回波信号在光学路径上具备相同的相干性参考基准，为后续多路回波信号的等权合成和关联测量提供了空间上的物理条件保障。通过各接收通道中设置的第二光子移相器，对对应接收通道的回波信号施加第二相位调控，以补偿各接收通道之间的相位差异，得到各接收通道对应的相位补偿后的回波信号；该步骤能够精确补偿因各接收通道空间几何位置差异而产生的传播路径差，有效消除目标回波信号在不同接收端产生的相位随机性，保证来自预设目标方向的回波信号在进入下一步骤时具备严格的同相叠加条件。将各接收通道对应的相位补偿后的回波信号进行量子相干合成，并对合成后的信号进行量子关联测量，获得目标探测结果；通过对相位对齐后的多路回波信号进行相干合成，并基于n光子关联测量获取高阶量子响应强度，该过程能够有效滤除传统探测中难以去除的经典背景噪声，获得比经典一阶强度探测更窄的波束响应峰值和更高的探测信噪比，最终在相同阵列孔径下提升了对弱目标的探测灵敏度，并降低了系统的孔径需求。