量子雷達實驗室

量子技術，21世紀以來世界科學研究最前沿熱點之一。

激光雷達，一種已被廣泛應用、性能挖掘潛力巨大的探測手段。

當量子技術遇到激光雷達，會碰撞出怎樣的火花？強強相遇，兩敗俱傷還是相得益彰？

我們的科學家已用切實成果給出答案——將量子技術應用到激光雷達，前者的應用范圍得以拓展，后者的性能極限一再突破，而融合二者優勢的量子探測激光雷達一出現便引得世界矚目。

那么，量子探測激光雷達有何特別？能做什么？

國耀量子雷達科技有限公司（以下簡稱國耀量子）就是一家專門從事高性能量子探測激光雷達研究與應用的高科技企業，他們以優質產品和解決方案告訴世界，量子技術距離我們的生活并不遙遠，已經在反哺社會經濟、人民生活。

“高冷”量子技術遇“熱”

在量子力學中，如果某種物理量存在最小的、無法被分割的基本單位，就意味著這種物理量是可以量子化的，而這個最小單位就是量子。量子是構成物質的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，所有人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現形態。

1900年，德國物理學家普朗克在研究黑體輻射問題時首次提出“量子”的概念。以量子為基礎衍生出的量子科學，是20世紀最重要的科學發現之一。

提到量子，人們總覺得它是“高冷”的，離自己的生活非常遙遠，其實并非如此。自量子力學發展以來，基于量子規律而發展應用的各種技術已經滲透到我們生活的方方面面。比如我們今天使用的計算機、筆記本電腦及手機等的芯片，其基本的計算單元晶體管就是基于量子力學中的能帶理論發明的。

近年，伴隨物理學科的不斷發展，人們關于量子的科學研究與應用，也從基于量子規律的宏觀應用，轉變為精準控制量子的技術應用。自20世紀90年代以來，量子技術逐步被應用于信息的獲取、存儲、傳遞、處理和使用等過程中，更在最近的短短20年里取得巨大進步，并形成了量子保密通信、量子計算、量子精密測量等典型應用。

量子技術并不“高冷”，反而在各國都炙手可熱。英國于2015年啟動總額4億英鎊的“國家量子技術專項”；歐盟2018年初啟動總額超過30億英鎊的“量子技術旗艦項目”；2018年6月，美國眾議院通過為期10年的“國家量子行動法案”；之后不久，德國政府通過總投入6.5億歐元的量子技術研究的框架計劃——“量子技術：從基礎到市場”……

量子技術，已經成為世界新一輪科技革命的制高點，成為世界各國力爭的焦點之一。而各國的量子技術研究規劃中，無一例外均將量子保密通信、量子計算和量子精密測量放在了重中之重。

量子通信是指利用量子技術，傳輸量子狀態以達到經典通信無法達到的功能，諸如量子密鑰分發、量子隱形態傳輸等，目前量子密鑰分發是最接近實用的分支，其最大特點是能夠保障信息鏈路傳輸的無條件安全。基于世界首顆量子科學衛星“墨子”號的成功發射與在軌運行，以及逐步建成的“京滬干線”（連接北京、上海，貫穿濟南和合肥全長2000余公里的量子通信骨干網絡），我國首次描繪出了天地一體化的量子通信網絡藍圖，有助于國家信息安全與信息技術。

量子計算的最終目標是通用量子計算機，被稱為“夢想的超高速計算機”，其計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長，一臺操縱100個粒子的量子計算機，對特定問題的處理能力可達到目前全世界計算能力總和的100萬倍。專家介紹，通用量子計算機一旦實現，將對通信安全、導航、成像以及人工智能、生物制藥、新材料研發等諸多領域產生顛覆性影響，帶來國家安全和社會經濟發展的極大變革。據報道，目前已有科學家開始進行量子計算機的實用嘗試，在中國，量子計算正從基礎研究邁入技術積存和集中攻關階段。

相對來說，量子精密測量的實現比量子計算要容易一些。利用高精度的量子信息處理技術，可以對時間、位置、重力等物理信息實現超越經典技術極限的量子精密測量，大幅度提升衛星導航、激光制導、水下定位、醫學檢測和引力波探測等的準確性和精度。

而在中國，無論談到量子通信、量子計算，還是量子精密測量，都躲不開中國科學技術大學。

國耀量子就是中國科學技術大學量子技術研究團隊的成員響應國家鼓勵科研人員創業政策，積極推動量子技術創新成果產業化落地的結晶。

當激光雷達“遭遇”量子技術

國耀量子的創始人均來自中國科學技術大學。

CEO夏海云，激光雷達專家，已從事激光雷達研究16年，從飛秒激光雷達，到亞洲首臺平流層測風激光雷達，再到量子探測測風雷達、超導雙頻測風激光雷達，成果頗豐。

CTO張強，量子通信專家，多年從事量子密碼、量子通信實驗研究和單光子探測器研制，量子物理學基本問題檢驗等，同樣成果卓著。

夏海云和張強的合作，正是激光雷達與量子技術的跨學科融合。如今看來，這一融合頗為成功。

激光雷達已發展半個多世紀，其基本原理是：出射激光脈沖與大氣相互作用，采用光學天線收集大氣后向散射信號，然后輸入光學接收機，經光電探測和數據處理后，得出一系列關鍵大氣參數，諸如氣溶膠濃度、PM2.5值、云高、溫度、濕度、能見度、大氣成分（如水汽、各種污染氣體成分）等。

夏海云所研究的，是被世界氣象組織列為最具挑戰性的激光雷達——測風激光雷達。

為何最具挑戰性？

“決定激光雷達性能的最關鍵因素，是弱光電信號的探測能力。微弱大氣后向散射信號的極限就是單光子。在其他用途的激光雷達中，只要數清楚大氣后向散射信號中包含的光子個數就可以，其中測風激光雷達還需要探測單個光子的頻率變化。”夏海云解釋，這對雷達性能提出了嚴峻挑戰。

傳統觀點認為，只能依靠提高出射激光功率或者增大望遠鏡面積來提高激光雷達探測信噪比，進而提升激光雷達性能。量子技術的出現，為激光雷達性能的提升提供了新的技術路徑。

夏海云與張強合作，摒棄歐美增大激光能量和望遠鏡面積的傳統思路，利用量子技術，從微觀提升量子效率、降低探測噪聲，從而實現激光雷達性能的提升。他們提出的高量子效率、全光纖集成的方案，最終開辟出了激光雷達發展的新方向——量子探測激光雷達。

“在我們的技術中，我們利用了1550nm波段的激光技術和室溫下高靈敏度的量子探測技術，實現了可產業化、人眼安全的量子探測激光雷達系統。”據了解，目前國耀量子已經取得了一系列行業內領先成果——

他們率先提出量子探測激光雷達，實現了大氣氣溶膠（對電廠排污情況）的晝夜連續探測。該方法近來被德國宇航局和洪堡大學；法國科學院、巴黎一大和Thales（法國軍火商）光電部；白俄羅斯國立大學；丹麥科技大學；英國埃克塞特大學等同行應用。

他們率先報道了全光纖集成的量子探測測風激光雷達，不僅簡化了系統結構，還提高了系統穩定性和可靠性，并免于周期性校準。

他們率先提出超導雙頻測風激光雷達，實現了最高空間分辨率風場探測，可探測機場風切變。該工作被美國光學協會（OSA）、美國科學協會（AAAS）專題報道“最精簡穩定，適合機載、星載運行”。

他們還率先提出超導偏振雷達，可對大氣污染物種類進行區分。

……

國耀量子的成立，正是為了推動量子探測激光雷達成果從實驗室到產業化的跨越，推動量子探測激光雷達相關成果盡快服務社會與人民。

“硬核”團隊的新挑戰

國耀量子成立于2017年，總部位于上海自貿區，旗下設山東國耀量子雷達科技有限公司（生產基地）和合肥分部（研發基地）。

公司現有成員35人，其中博士18人，核心技術與成員均來自于中國科學技術大學。科研人員創業，乘上了國家創新創業政策的“東風”，也仍是一個不小的挑戰。

所幸這個創業團隊，技術實力足夠“硬核”——核心成員曾先后負責和參與“墨子號”量子通訊衛星、量子通信京滬干線、國家重大軍事任務等，擁有量子探測激光雷達的海陸空運行經驗，曾獲軍隊科技進步一等獎、日內瓦國際發明特等金獎。

這樣的團隊奠定了國耀量子雷達與生俱來的優勢。

短短幾年，國耀量子已經自主研制并生產出了基于量子（單光子）探測器的激光雷達，主要產品包括量子探測測風激光雷達、能見度儀、云高儀、揚塵監測雷達、PM2.5/PM10激光雷達測量儀。

由于量子技術、集成光電子技術、光通信技術在激光雷達中的應用，國耀量子研制的量子探測激光雷達，有著明顯的優勢——

采用的1550nm工作波長，在200nm—2000nm波段人眼安全曝光功率中最高，人眼安全系數最高，利于進行大范圍城區推廣；

研發了應用于激光雷達的高量子效率、低暗計數噪聲的單光子探測器，探測效率高，利于實現遠距離掃描；

采用周期極化鈮酸鋰波導、體布拉格光柵、帶通濾光片綜合噪聲抑制技術，在透射帶寬0.05nm時透過率88%，噪聲抑制比高；

研發了全光纖光學器件，可實現系統全光纖鏈接，緊湊小巧，防振性能優越，尤其適合在機載、艦載、星載等特殊平臺運行，且適合系統小型化、模塊化的大批量生產，利于后期維護；

同時，其可實現全天時工作，可進行污染源的區域性定量測量等等。

總之，其不但具備時空分辨率高、探測靈敏度高、抗電磁干擾能力強等特點，還在系統小型化、高穩定性、智能化、高性價比等方面取得了革命性進步。

最重要的是，除了產品，國耀量子還可為用戶提供系統、科學的解決方案，提供定制化的雷達生產，根據用戶需求實現氣象參數，如風、溫、濕、密度等探測，以及環保參數，如PM2.5/PM10、能見度、大氣污染成分、污染顆粒物偏振態等的探測，服務于環境保護、數字氣象、航空安全、智慧城市、囯防安全等多個領域。

未來已來，唯變不變

2018年8月28日，首都航空北京飛澳門一客機在澳門機場降落時疑似遭遇風切變，機組立即采取復飛并啟動應急程序，最終安全備降深圳寶安機場。萬幸事故沒有造成人員傷亡，風切變則再次成為人們關注的焦點。

風切變是一種大氣現象，是風速在水平和垂直方向的突然變化。風切變，特別是低空風切變，是導致飛行事故的大敵，被稱為“無形殺手”。國際航空界公認低空風切變是飛機起飛和著陸階段的一個重要危險因素。同樣被視為“隱形殺手”的還有晴空湍流，一種晴朗天氣時空中出現的湍流，一般認為它也與風切變有關。這些特殊大氣現象的存在，嚴重影響著民航飛機的飛行安全。

軍事領域面對的風場與氣流情況更為復雜。以航母艦載機的降落為例，飛行員不僅要考慮海區氣象條件，還要關注氣流、海面狀況等客觀不確定因素，更要綜合考量航母上的復雜大氣紊流情況，“除了陸地機場通常存在的大氣紊流以外，由于航母龐大的艦體以及自身的運動還會在艦首產生上洗氣流，在艦尾處形成較強的尾流，在艦側面形成翻滾的氣流；而艦載機起飛后在甲板上留下的尾流，也會對下一架飛機的起飛造成影響”。因此，艦載機飛行風險大，事故發生率高。

量子探測激光雷達系統的出現，為這些難題提供了目前技術水平的最優解。針對風切變等特殊大氣現象，國耀量子可提供兩種直接探測雷達解決方案，一種是基于量子頻率上轉換的測風激光雷達，另外一種是基于超導單光子探測的測風激光雷達。兩種方案，均可實時、連續監測風場變化，實現風切變預警，在最大程度上規避風險，保障飛行安全。

與之相似的，國耀量子同樣可以根據不同需求，研制生產不同形制、性能的量子探測激光雷達系統，以服務于臨近空間飛艇環境保障、衛星發射場風切變預警、化學播撒預警、海上風切變預警、衛星軌道預測和目標搜索，乃至超低彈等戰略武器高精度制導等場景。

國耀量子同樣可提供民用領域的探測方案，比如風場探測、污染探測等。

在風力發電領域，量子探測激光雷達系統可以提供風葉正前方的實時風場變化信息，從而反饋給風機及時調整風葉方向，以達到最優的發電效率，減少電機損耗。同時，量子探測激光雷達系統可以進行某區域內的長時間風場數據累計測試，為風機的選址提供評估數據支持。

在氣象環保領域，量子探測激光雷達可以定位污染源的排放，實現對工地揚塵的監測，及污染源凈排放的計算等。如今，國耀量子已經形成了一套可長期穩定、適合大溫差、強震動、高鹽霧惡劣工況下運行的全光纖系統，比傳統雷達具有更高的性價比。這一系統可實現對廣域范圍內大氣污染源、能見度信息、PM2.5/PM10、工地揚塵等24小時實時監測，同時結合對大氣風場信息的監測可以區分大氣傳輸和區域內生成污染，定量監測每一個大氣污染源，定量計算每個單位的凈排量，為環保部門的監管執法提供可量化數據支持。

每一次大的科技突破，都會引發人們思想觀念的革新，而后是生活方式的變革，量子技術同樣如此。國耀量子所做的，正是將量子技術從實驗室搬到人們的生產生活中，讓人們親近它、接受它。

第二次量子革命的浪潮之下，國耀量子將一如既往，胸懷凌云之志，倚劍量子科技，以當下及未來國家需求為出發點，不斷創新、堅持創新、持續創新！因為他們堅信：未來已來，唯變不變。