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Research Progress in Optical Quantum Detection Technology (Invited)
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DOI：10.3788/gzxb20265505.0555209.png)
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摘要
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利用光学量子态的量子叠加、量子相干和量子纠缠，光学量子探测技术（包括量子雷达）有望在探测灵敏度、成像分辨率、噪声抑制等方面突破经典极限，多年来一直吸引科学界广泛关注。针对光学量子探测技术的实用性，已有单光子探测、量子干涉、量子增强和量子照明等协议相继被提出并在理论模型和基础技术上进行了研究。近年来，光学量子探测技术的研究已高度进入以实验为主的阶段，甚至在应用验证方面取得进展，开始为工程探索奠定基础。同时，该技术也面临诸多问题和挑战，导致近年来研究规模趋于减小，部分研究者对该领域前景持悲观态度。然而，多数研究者认为该技术仍处于发展阶段，这些科学上普遍存在的困难尚不足以判断其命运。事实上，尽管研究论文数量减少，但更集中于实用化试验，显示出明确的应用趋势。为重振该领域信心，有必要回顾光学量子探测技术的最新进展。本文综述了近年来该领域在单光子探测、压缩态增强和量子照明等技术协议上的重要研究进展。单光子探测已实现长距离高分辨率3D成像，验证了光子数分辨协议的优势，并展示了有效抑制光学干扰的能力。在量子照明领域，实验验证了成像对比度和信噪比的量级提升，以及在单光子条件下超越经典极限的目标探测能力，并确认了微波量子照明技术的实验可行性。此外，量子增强协议实验验证了压缩光场可有效提升LiDAR的探测灵敏度、精度和噪声特性，同时展示了微波波段量子双模压缩态雷达协议的技术可行性。本文还总结了光学量子探测技术在量子测距、量子成像及新兴场景中的应用进展，强调其超越经典极限、提升探测性能的潜力。在量子测距方面，基于压缩态和双模压缩态的技术稳步发展；量子照明在高损耗强噪声条件下保持优势；单光子探测测距已实现从短距高精度测量到长距成像的飞跃；量子干涉测距的精度接近海森堡极限。在量子成像方面，单光子探测在抗干扰、高噪声和长距成像上取得进展；量子干涉成像克服衍射极限；量子照明成像在散射介质和水下环境等场景中展现明显优势；压缩态成像结合零差检测提升了信噪比。在新兴应用场景中，目标材料识别等领域取得突破，暗物质探测、隐蔽目标检测和原位监测等前沿领域也展现出潜力。尽管部分学者基于微波量子优势实现的难度对量子雷达发展前景提出质疑，但上述研究与应用进展表明，光学量子探测技术（包括量子雷达）已从概念阶段发展到系统化实验研究与实践技术开发的阶段。无疑，该技术的进一步发展仍面临诸多挑战，但多数为技术层面而非原理机制层面。我们相信这些挑战可在持续探索中逐步解决。因此，我们展望未来5至10年该技术的发展前景，指出以下主要趋势：单光子探测技术将开发长距离、实时、高分辨率、多维成像设备；量子照明技术将实现光学和红外波段的环境自适应原型系统，并在微波和射频波段突破实用光源制备和检测系统集成等关键技术；量子增强协议有望显著提升LiDAR、微波雷达等设备在真实场景下的探测能力。可见，光学量子探测技术有望在未来十年成为下一代光电子探测系统的核心使能技术。希望本文能为推动该技术的实际应用提供参考。
Keyword:
Optical quantum detection
Quantum radar
Single-photon detection
Quantum illumination
Quantum enhancement
Quantum ranging
Quantum imaging
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