【技术动态】中科大的研究团队开发的新型量子激光雷达实现了高灵敏度风场探测

中国科学技术大学薛向辉教授领导的研究团队提出了一种基于上转换量子干涉的风感激光雷达理论，并成功开发出了原型。他们的研究成果发表在《ACS Photonics》上。

图 1： 实验装置。资料来源：王冲、杨可欣等人，《Coherent TWo-Photon Atmospheric Lidar Based on Up-Conversion Quantum Erasure》，《ACS Photonics》（2024）。

激光雷达技术的主要目标是 “看得更远、更细，测量更快、更准”。通过实现单光子探测，单光子激光雷达比传统激光雷达有了显著改进。研究人员一直在探索在量子激光雷达中利用精确量子测量原理的方法。

自 1987 年发现以来，Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉（也称为双光子干涉）在精确时间测量、量子态分析和量子信息处理中发挥了至关重要的作用。HOM 干涉在量子激光雷达中的应用已成为研究重点。

该研究团队提出了一种利用 HOM 干涉和高阶量子擦除的理论，以证明来自不同光源的独立光子的量子干涉现象。HOM 干涉是一种量子光学现象，两个光子之间即使不共存也会发生干涉，显示出相关性。量子擦除是一种量子力学过程，通过操纵额外的光子，可以消除或恢复两个光子之间的量子纠缠。

基于这一理论，该研究团队利用上转换探测器开发了一种双光子干涉大气激光雷达系统。该系统具有单光子灵敏度高、量子效率高、探测带宽宽和多波长适用性等特点。研究结果表明，该量子激光雷达系统能以 MHz 采样率记录带宽超过17GHz 的光信号，解决了超快目标连续探测中弱信号的高采样率和大数据存储难题。

图 2： 带宽扩展的实验结果。资料来源：王冲、杨可欣等人，《Coherent Two-Photon Atmospheric Lidar Based on Up-Conversion Quantum Erasure》，《ACS Photonics》（2024）。

此外，在现场实验中，量子干涉激光雷达系统实现了水平距离为 16km 、能量为 70µJ 的风场探测，探测灵敏度比现有激光雷达系统提高了 7 倍，风场探测一致性达到 R^² = 0.997。

图 3：基于 QEHOM 的自由空间风场探测。资料来源：王冲、杨可欣等人，《Coherent Two-Photon Atmospheric Lidar Based on Up-Conversion Quantum Erasure》，《ACS Photonics》（2024）。

图 4：风场探测结果。(a) 测量范围为 16km ，脉冲能量为 70μJ，累积时间和范围分辨率分别为 2 分钟和 150m（10km @ 1s 已实现，此处未显示）。(b) 不同范围的原始能见度（插图）。(c) 信噪比（SNR）与累积时间的关系。虚线曲线是实验数据和调整后数据的线性拟合。R 平方为 0.98409。资料来源：王冲、杨可欣等人，《Coherent Two-Photon Atmospheric Lidar Based on Up-Conversion Quantum Erasure》，《ACS Photonics》（2024）。

这次成功的长距离风场探测证明了这种新型量子干涉激光雷达技术在微弱信号测量方面的巨大潜力。它可以在不使用频率鉴别装置的情况下测量光频率，结合了直接探测和相干探测的优点。量子激光雷达系统已经实现了光纤集成和小型化，为未来应用于超高速移动目标的连续遥感带来了希望。

参考文献：王冲、杨可欣等人，《Coherent Two-Photon Atmospheric Lidar Based on Up-Conversion Quantum Erasure》，《ACS Photonics》（2024）。