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当量子技术遇到激光雷达 会碰撞出怎样的火花

量子技术,21世纪以来世界科学研究最前沿热点之一。

激光雷达,一种已被广泛应用、性能挖掘潜力巨大的探测手段。

当量子技术遇到激光雷达,会碰撞出怎样的火花?强强相遇,两败俱伤还是相得益彰?

我们的科学家已用切实成果给出答案——将量子技术应用到激光雷达,前者的应用范围得以拓展,后者的性能极限一再突破,而融合二者优势的量子探测激光雷达一出现便引得世界瞩目。

那么,量子探测激光雷达有何特别?能做什么?

国耀量子雷达科技有限公司(以下简称国耀量子)就是一家专门从事高性能量子探测激光雷达研究与应用的高科技企业,他们以优质产品和解决方案告诉世界,量子技术距离我们的生活并不遥远,已经在反哺社会经济、人民生活。

“高冷”量子技术遇“热”

在量子力学中,如果某种物理量存在最小的、无法被分割的基本单位,就意味着这种物理量是可以量子化的,而这个最小单位就是量子。量子是构成物质的最基本单元,是能量的最基本携带者,所有人们所熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子,都是量子的一种表现形态。

1900年,德国物理学家普朗克在研究黑体辐射问题时首次提出“量子”的概念。以量子为基础衍生出的量子科学,是20世纪最重要的科学发现之一。

提到量子,人们总觉得它是“高冷”的,离自己的生活非常遥远,其实并非如此。自量子力学发展以来,基于量子规律而发展应用的各种技术已经渗透到我们生活的方方面面。比如我们今天使用的计算机、笔记本电脑及手机等的芯片,其基本的计算单元晶体管就是基于量子力学中的能带理论发明的。

近年,伴随物理学科的不断发展,人们关于量子的科学研究与应用,也从基于量子规律的宏观应用,转变为精准控制量子的技术应用。自20世纪90年代以来,量子技术逐步被应用于信息的获取、存储、传递、处理和使用等过程中,更在最近的短短20年里取得巨大进步,并形成了量子保密通信、量子计算、量子精密测量等典型应用。

量子技术并不“高冷”,反而在各国都炙手可热。英国于2015年启动总额4亿英镑的“国家量子技术专项”;欧盟2018年初启动总额超过30亿英镑的“量子技术旗舰项目”;2018年6月,美国众议院通过为期10年的“国家量子行动法案”;之后不久,德国政府通过总投入6.5亿欧元的量子技术研究的框架计划——“量子技术:从基础到市场”……

量子技术,已经成为世界新一轮科技革命的制高点,成为世界各国力争的焦点之一。而各国的量子技术研究规划中,无一例外均将量子保密通信、量子计算和量子精密测量放在了重中之重。

量子通信是指利用量子技术,传输量子状态以达到经典通信无法达到的功能,诸如量子密钥分发、量子隐形态传输等,目前量子密钥分发是最接近实用的分支,其最大特点是能够保障信息链路传输的无条件安全。基于世界首颗量子科学卫星“墨子”号的成功发射与在轨运行,以及逐步建成的“京沪干线”(连接北京、上海,贯穿济南和合肥全长2000余公里的量子通信骨干网络),我国首次描绘出了天地一体化的量子通信网络蓝图,有助于国家信息安全与信息技术。

量子计算的最终目标是通用量子计算机,被称为“梦想的超高速计算机”,其计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长,一台操纵100个粒子的量子计算机,对特定问题的处理能力可达到目前全世界计算能力总和的100万倍。专家介绍,通用量子计算机一旦实现,将对通信安全、导航、成像以及人工智能、生物制药、新材料研发等诸多领域产生颠覆性影响,带来国家安全和社会经济发展的极大变革。据报道,目前已有科学家开始进行量子计算机的实用尝试,在中国,量子计算正从基础研究迈入技术积存和集中攻关阶段。

相对来说,量子精密测量的实现比量子计算要容易一些。利用高精度的量子信息处理技术,可以对时间、位置、重力等物理信息实现超越经典技术极限的量子精密测量,大幅度提升卫星导航、激光制导、水下定位、医学检测和引力波探测等的准确性和精度。

而在中国,无论谈到量子通信、量子计算,还是量子精密测量,都躲不开中国科学技术大学。

国耀量子就是中国科学技术大学量子技术研究团队的成员响应国家鼓励科研人员创业政策,积极推动量子技术创新成果产业化落地的结晶。

当激光雷达“遭遇”量子技术

国耀量子的创始人均来自中国科学技术大学。

CEO夏海云,激光雷达专家,已从事激光雷达研究16年,从飞秒激光雷达,到亚洲首台平流层测风激光雷达,再到量子探测测风雷达、超导双频测风激光雷达,成果颇丰。

CTO张强,量子通信专家,多年从事量子密码、量子通信实验研究和单光子探测器研制,量子物理学基本问题检验等,同样成果卓著。

夏海云和张强的合作,正是激光雷达与量子技术的跨学科融合。如今看来,这一融合颇为成功。

激光雷达已发展半个多世纪,其基本原理是:出射激光脉冲与大气相互作用,采用光学天线收集大气后向散射信号,然后输入光学接收机,经光电探测和数据处理后,得出一系列关键大气参数,诸如气溶胶浓度、PM2.5值、云高、温度、湿度、能见度、大气成分(如水汽、各种污染气体成分)等。

夏海云所研究的,是被世界气象组织列为最具挑战性的激光雷达——测风激光雷达。

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