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　　中國(guo)科學技術大(da)學消(xiao)息，近日(ri)，薛向(xiang)輝教授領(ling)導的激光(guang)(guang)雷(lei)達團隊(dui)在(zai)量(liang)子激光(guang)(guang)雷(lei)達系統(tong)研究方面取得了(le)重大(da)進展。該團隊(dui)首次提(ti)出(chu)了(le)基(ji)于(yu)上(shang)轉換量(liang)子干(gan)(gan)涉原理(li)的測風激光(guang)(guang)雷(lei)達理(li)論，并(bing)基(ji)于(yu)這一理(li)論創(chuang)新成(cheng)功(gong)研發了(le)樣機。相較于(yu)傳(chuan)統(tong)的相干(gan)(gan)測風雷(lei)達，新系統(tong)實現了(le)0-13km/s的速度(du)動(dong)態(tai)探(tan)測范圍和7倍探(tan)測靈敏(min)度(du)的提(ti)升(sheng)。這一成(cheng)果于(yu)2024年(nian)8月(yue)15日(ri)發表在(zai)《ACS Photonics》上(shang)。

　　“看(kan)得遠、看(kan)得細，測(ce)得快、測(ce)得準”是激(ji)光(guang)雷(lei)達(da)(da)(da)追(zhui)求的(de)目標(biao)。單光(guang)子激(ji)光(guang)雷(lei)達(da)(da)(da)相比傳統激(ji)光(guang)雷(lei)達(da)(da)(da)實(shi)現(xian)了(le)單光(guang)子靈敏(min)度的(de)探(tan)測(ce)，性能有了(le)極大的(de)提升。然而(er)，利用(yong)(yong)更多量(liang)子精密測(ce)量(liang)原理(li)(li)的(de)量(liang)子雷(lei)達(da)(da)(da)理(li)(li)論仍(reng)處于發展階段。自(zi)1987年(nian)雙光(guang)子(HOM)干涉(she)被發現(xian)以來(lai)，HOM干涉(she)已成為區(qu)分(fen)(fen)量(liang)子現(xian)象與經(jing)典物理(li)(li)學的(de)關鍵(jian)基(ji)石，標(biao)志著(zhu)量(liang)子探(tan)索新(xin)時(shi)代(dai)的(de)到(dao)來(lai)。HOM干涉(she)不僅在精確的(de)時(shi)間(jian)測(ce)量(liang)和量(liang)子態(tai)分(fen)(fen)析方面發揮著(zhu)基(ji)礎(chu)作(zuo)用(yong)(yong)，還在量(liang)子信息處理(li)(li)的(de)各種(zhong)應用(yong)(yong)中成為核(he)心(xin)。基(ji)于HOM干涉(she)的(de)量(liang)子精密測(ce)量(liang)理(li)(li)論和應用(yong)(yong)創新(xin)，已經(jing)成為當(dang)前的(de)研究熱(re)點。

　　薛向(xiang)輝課題(ti)組利(li)用HOM干(gan)涉和(he)高階量(liang)子擦除(chu)使得來自(zi)不同(tong)光源的(de)獨立光子展現出量(liang)子干(gan)涉現象(xiang)，并(bing)基(ji)于(yu)該理論(lun)開發了(le)一種基(ji)于(yu)上(shang)轉換探(tan)測(ce)(ce)器的(de)雙(shuang)光子干(gan)涉大(da)氣激光雷(lei)達(da)系(xi)統。這(zhe)種方法(fa)具(ju)有單(dan)光子靈敏度、高量(liang)子效率、大(da)檢測(ce)(ce)帶寬(kuan)和(he)多波長適用性。使用量(liang)子擦除(chu)結合光學壓縮采樣(yang)方法(fa)，該量(liang)子雷(lei)達(da)系(xi)統能夠以MHz的(de)采樣(yang)率記(ji)錄(lu)超(chao)過17 GHz帶寬(kuan)(對應13km/s)的(de)光學信號(hao)，解決了(le)超(chao)高速目(mu)標連續(xu)檢測(ce)(ce)中弱信號(hao)的(de)高采樣(yang)率和(he)大(da)數(shu)據存儲量(liang)問題(ti)，為(wei)實現高達(da)數(shu)十公里/秒的(de)超(chao)高速連續(xu)速度檢測(ce)(ce)鋪(pu)平了(le)道路。

超過17GHz的探測帶寬，頻率探測誤差≤60MHz(波長計誤差60MHz)

　　在外場(chang)實驗中，量子干涉雷達系(xi)統使用70μJ能(neng)量實現(xian)了水平16km距離(li)的風場(chang)探測，相比于(yu)現(xian)有(you)激光雷達系(xi)統，風場(chang)探測一(yi)致(zhi)性R2=0.997的情(qing)況下實現(xian)了7倍探測靈敏度的提升。

使用70μJ能量實現16km距離風場探測

　　該技術的(de)核(he)心在于利(li)用雙光(guang)(guang)(guang)子(zi)干(gan)涉(she)現象，并通(tong)過(guo)(guo)量(liang)子(zi)擦除抑(yi)制(zhi)噪(zao)聲(sheng)提高信噪(zao)比。雙光(guang)(guang)(guang)子(zi)干(gan)涉(she)是一種量(liang)子(zi)光(guang)(guang)(guang)學(xue)現象，在這種現象中兩個光(guang)(guang)(guang)子(zi)之間會發生(sheng)干(gan)涉(she)，即使它們不(bu)同(tong)時存(cun)在也能觀察到(dao)相關(guan)性。量(liang)子(zi)擦除則(ze)是一種量(liang)子(zi)力學(xue)過(guo)(guo)程，可以通(tong)過(guo)(guo)操縱額外(wai)的(de)光(guang)(guang)(guang)子(zi)來(lai)消除或恢復雙光(guang)(guang)(guang)子(zi)之間的(de)量(liang)子(zi)糾(jiu)纏狀態。

　　遠距離測(ce)風證(zheng)明(ming)，該技術在(zai)弱信號測(ce)量方(fang)面(mian)具有(you)巨大的潛力。無需使用頻率(lv)鑒別裝置即可(ke)檢測(ce)光學頻率(lv)，這是一種全新的檢測(ce)方(fang)法，結合了直接探測(ce)和(he)相(xiang)干探測(ce)的優點(dian)。該雷達系統已經實現(xian)了光纖集成和(he)緊湊化，未來有(you)可(ke)能(neng)應用于連(lian)續遙感測(ce)量超高速移(yi)動軟(ruan)硬目(mu)標。

　　審稿(gao)人對該工(gong)作給與了高(gao)度評價，稱贊“手稿(gao)介紹了一項在大(da)氣激光雷達技術領域(yu)的(de)重要進展”(the manuscript presents a significant advancement in the field of atmospheric lidar technology)、“特別(bie)重要的(de)是(shi)，該方法相(xiang)對于傳統(tong)技術提(ti)升了接(jie)近1個(ge)數(shu)量級(ji)的(de)性能”(Specifically, they demonstrated that the efficiency is one order of magnitude higher than traditional detection methods)。

　　地球(qiu)和空間科(ke)學學院的王(wang)沖(chong)副研究員和楊可欣博士是論文(wen)第(di)一作者，薛(xue)向輝教授為論文(wen)通訊作者。該工作得到了張強、陶嵐和申屠(tu)國樑同志，以及(ji)國家重點研發計劃、國家自(zi)然科(ke)學基金等(deng)的支持。