深圳大学等机构研发新型量子激光雷达：精度和分辨率大幅提升

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深圳大学等机构研发新型量子激光雷达：精度和分辨率大幅提升

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激光雷达（LIDAR）是一种重要的传感技术，广泛应用于汽车、机器人、无人机等多个领域。最近，深圳大学等机构的研究团队在《Physical Review Applied》期刊发表最新研究成果，提出了一种基于调频连续波（FMCW）的量子干涉激光雷达，能够以量子增强的精度和分辨率同时测量距离和速度，还能实现超分辨相位成像。

研究背景

作为一种重要的传感技术，激光雷达（LIDAR）广泛应用于汽车、机器人、无人机等多个领域。通过发射激光脉冲并测量从目标反射回来的脉冲，脉冲激光雷达可以测量距离和速度。每个脉冲返回到传感器所需的时间，即飞行时间（TOF），可以用来计算距离；而返回脉冲的多普勒频移可以用来计算物体的相对速度。然而，时间-能量不确定性关系使得脉冲TOF和多普勒频移的联合估计存在根本局限。

随着量子计量学的兴起，量子激光雷达应运而生。早期的量子增强脉冲激光雷达试图用纠缠光替代传统脉冲，利用高时间-带宽积的纠缠脉冲光，通过量子脉冲压缩技术来同时估计距离和速度。但这类系统存在诸多问题，例如非线性光学过程效率低、需要无损传播通道、受探测器时间分辨率限制，以及监测纠缠脉冲多普勒频移困难等。此外，部分量子增强脉冲激光雷达在进行距离和速度的联合估计时，需要目标的先验知识，无法独立工作。

在此背景下，研究人员将目光转向调频连续波（FMCW）技术，探索其在量子激光雷达中的应用，期望克服传统量子脉冲激光雷达的不足，实现更精准、高效的测量。

理论方法

量子FMCW光场的描述

在经典光学中，FMCW激光束可描述为振荡的电磁场。在量子领域，研究人员分别在离散频率域和离散时间域对量子FMCW光场进行描述。在离散频率域，FMCW激光场可看作多模相干态，单光子态和纠缠双光子态也有相应的表达式。而在离散时间域，通过有限带宽和离散时间近似，将调制周期划分为多个间隔，定义了时间域的湮灭算子和Fock态。这种描述方式为理解量子FMCW光场的特性和行为提供了理论基础。

量子FMCW激光雷达的测量原理

量子FMCW激光雷达利用部分纠缠态作为信号光，另一部分作为参考光，通过参考光和从目标反射回来的回波之间的干涉获得拍频信号。对于三角形频率调制，该拍频信号包含目标的距离、速度和相位信息。研究人员通过分析拍频信号的频率和相位变化，利用相关公式计算出目标的距离、速度以及相位。

精度极限和分辨率分析

研究通过克拉美-罗界（CRB）来量化量子FMCW激光雷达在估计目标参数时的精度极限。对于量子FMCW激光雷达，其估计目标参数的协方差矩阵满足一定的不等式，通过计算瞬时经典Fisher信息（CFI）矩阵，并对整个调制周期进行积分，得到总体CFI矩阵，进而得出CRB。研究发现，量子FMCW激光雷达的标准偏差与n成反比，相比经典相干态FMCW激光雷达，精度提升了倍。在分辨率方面，量子FMCW激光雷达在距离和速度分辨率上也有显著提高，使用双光子纠缠态时分辨率提升2倍，使n -光子纠缠态时分辨率提升n倍。

实验方案

量子FMCW激光雷达的物理实现类似于马赫-曾德尔干涉仪（MZI），但有两点不同。一是将目标置于干涉仪一臂中间，模拟回波的往返传播；二是用与频率无关的光传播时间描述光场演化，而非传统MZI中与频率相关的相位差。实验中，纠缠双光子FMCW态经过分束器和自由演化后，产生路径和啁啾纠缠。在检测端，使用50:50分束器和两个光子探测器进行符合计数，实现纠缠双光子态的自外差检测。通过监测联合检测概率随时间的变化，形成量子拍频信号，从而提取目标的距离和速度信息。

基于双光子FMCW NOON态协议，理论上可扩展到n -光子的情况。通过构建n -光子FMCW NOON态，并采用干涉检测策略，监测量子态投影到特定本征态的概率，产生量子拍频信号。这种检测方法能将接收信号从光波段下转换到微波波段，便于利用微波电子电路进行精确信号分析。然而，实现n -光子FMCW NOON态和相应检测在实验上具有挑战性，文中探讨了一些可能的实现方法，如利用非经典干涉和腔量子电动力学等技术。

在实验中，制备FMCW双光子纠缠态是关键步骤之一。通过非线性光学过程，利用自发参量下转换（SPDC）产生未调制的反频率相关光子对，然后使用光学相位调制器对其进行调制。但调制过程中会出现边带问题，研究人员提出了两种解决方案：一是在调制前对光子对进行滤波，确保边带可分离；二是设计特殊的光学电路，使边带相互抵消，产生所需边带的光子对。此外，实现n -光子FMCW NOON态的生成和检测也是实验面临的重大挑战，需要进一步探索高效的实验技术和方法。

研究成果

量子FMCW激光雷达能够同时测量目标的距离、速度和相位，且具有量子增强的精度和分辨率。通过理论分析和实验验证，其在测量精度上相比传统经典FMCW激光雷达有显著提升，标准偏差与n成反比，分辨率也提高了n倍。这意味着量子FMCW激光雷达能够更精确地感知目标的位置和运动状态，为实际应用提供更可靠的数据支持。

与量子脉冲激光雷达相比，量子FMCW激光雷达在单光子情况下，即使没有纠缠，利用FMCW波形（ΔωTm≫1）也能实现同时最优的距离和速度测量，不受时间-能量不确定性关系的限制。而在使用n -光子纠缠态时，其精度和分辨率进一步提高，有效克服了传统激光雷达在测量中的局限性。

量子FMCW激光雷达在实现过程中具有诸多优势。它仅使用线性光学器件（如MZI）就能实现量子增强性能，避免了量子脉冲激光雷达中复杂且低效的非线性光学过程。同时，自外差检测技术可将接收信号转换到微波波段，便于精确分析。这些优势使得量子FMCW激光雷达更适合片上集成，有望在自动驾驶、机器人导航、无人机避障等领域发挥重要作用，推动相关技术的发展和应用。

图1：(a)脉冲激光雷达和(b)调频连续波（FMCW）激光雷达的示意图。