量子技術(shù)，21世紀以來世界科學(xué)研究最前沿?zé)狳c之一。

激光雷達，一種已被廣泛應(yīng)用、性能挖掘潛力巨大的探測手段。

當量子技術(shù)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(xué)家已用切實成果給出答案——將量子技術(shù)應(yīng)用到激光雷達，前者的應(yīng)用范圍得以拓展，后者的性能極限一再突破，而融合二者優(yōu)勢的量子探測激光雷達一出現(xiàn)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(yīng)用的高科技企業(yè)，他們以優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品和解決方案告訴世界，量子技術(shù)距離我們的生活并不遙遠，已經(jīng)在反哺社會經(jīng)濟、人民生活。

“高冷”量子技術(shù)遇“熱”

在量子力學(xué)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(gòu)成物質(zhì)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(xiàn)形態(tài)。

1900年，德國物理學(xué)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(chǔ)衍生出的量子科學(xué)，是20世紀最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)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(xué)發(fā)展以來，基于量子規(guī)律而發(fā)展應(yīng)用的各種技術(shù)已經(jīng)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(xué)中的能帶理論發(fā)明的。

近年，伴隨物理學(xué)科的不斷發(fā)展，人們關(guān)于量子的科學(xué)研究與應(yīng)用，也從基于量子規(guī)律的宏觀應(yīng)用，轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳士刂屏孔拥募夹g(shù)應(yīng)用。自20世紀90年代以來，量子技術(shù)逐步被應(yīng)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(yīng)用。

量子技術(shù)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(shù)專項”；歐盟2018年初啟動總額超過30億英鎊的“量子技術(shù)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(shù)研究的框架計劃——“量子技術(shù)：從基礎(chǔ)到市場”……

量子技術(shù)，已經(jīng)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(shù)研究規(guī)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(shù)，傳輸量子狀態(tài)以達到經(jīng)典通信無法達到的功能，諸如量子密鑰分發(fā)、量子隱形態(tài)傳輸?shù)龋壳傲孔用荑€分發(fā)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?shù)臒o條件安全?；谑澜缡最w量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子”號的成功發(fā)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(wǎng)絡(luò)），我國首次描繪出了天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)藍圖，有助于國家信息安全與信息技術(shù)。

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(shù)呈指數(shù)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(xiàn)，將對通信安全、導(dǎo)航、成像以及人工智能、生物制藥、新材料研發(fā)等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響，帶來國家安全和社會經(jīng)濟發(fā)展的極大變革。據(jù)報道，目前已有科學(xué)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(chǔ)研究邁入技術(shù)積存和集中攻關(guān)階段。

相對來說，量子精密測量的實現(xiàn)比量子計算要容易一些。利用高精度的量子信息處理技術(shù)，可以對時間、位置、重力等物理信息實現(xiàn)超越經(jīng)典技術(shù)極限的量子精密測量，大幅度提升衛(wèi)星導(dǎo)航、激光制導(dǎo)、水下定位、醫(yī)學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)。

國耀量子就是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子技術(shù)研究團隊的成員響應(yīng)國家鼓勵科研人員創(chuàng)業(yè)政策，積極推動量子技術(shù)創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化落地的結(jié)晶。

當激光雷達“遭遇”量子技術(shù)

國耀量子的創(chuàng)始人均來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)。

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(fēng)激光雷達，再到量子探測測風(fēng)雷達、超導(dǎo)雙頻測風(fēng)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(xué)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(shù)的跨學(xué)科融合。如今看來，這一融合頗為成功。

激光雷達已發(fā)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(xué)天線收集大氣后向散射信號，然后輸入光學(xué)接收機，經(jīng)光電探測和數(shù)據(jù)處理后，得出一系列關(guān)鍵大氣參數(shù)，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(zhàn)性的激光雷達——測風(fēng)激光雷達。

為何最具挑戰(zhàn)性？

“決定激光雷達性能的最關(guān)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(shù)清楚大氣后向散射信號中包含的光子個數(shù)就可以，其中測風(fēng)激光雷達還需要探測單個光子的頻率變化?！毕暮Ｔ平忉?，這對雷達性能提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)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(shù)的出現(xiàn)，為激光雷達性能的提升提供了新的技術(shù)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(tǒng)思路，利用量子技術(shù)，從微觀提升量子效率、降低探測噪聲，從而實現(xiàn)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(fā)展的新方向——量子探測激光雷達。

“在我們的技術(shù)中，我們利用了1550nm波段的激光技術(shù)和室溫下高靈敏度的量子探測技術(shù)，實現(xiàn)了可產(chǎn)業(yè)化、人眼安全的量子探測激光雷達系統(tǒng)?！睋?jù)了解，目前國耀量子已經(jīng)取得了一系列行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先成果——

他們率先提出量子探測激光雷達，實現(xiàn)了大氣氣溶膠（對電廠排污情況）的晝夜連續(xù)探測。該方法近來被德國宇航局和洪堡大學(xué)；法國科學(xué)院、巴黎一大和Thales（法國軍火商）光電部；白俄羅斯國立大學(xué)；丹麥科技大學(xué)；英國?？巳卮髮W(xué)等同行應(yīng)用。

他們率先報道了全光纖集成的量子探測測風(fēng)激光雷達，不僅簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，并免于周期性校準。

他們率先提出超導(dǎo)雙頻測風(fēng)激光雷達，實現(xiàn)了最高空間分辨率風(fēng)場探測，可探測機場風(fēng)切變。該工作被美國光學(xué)協(xié)會（OSA）、美國科學(xué)協(xié)會（AAAS）專題報道“最精簡穩(wěn)定，適合機載、星載運行”。

他們還率先提出超導(dǎo)偏振雷達，可對大氣污染物種類進行區(qū)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(chǎn)業(yè)化的跨越，推動量子探測激光雷達相關(guān)成果盡快服務(wù)社會與人民。

“硬核”團隊的新挑戰(zhàn)

國耀量子成立于2017年，總部位于上海自貿(mào)區(qū)，旗下設(shè)山東國耀量子雷達科技有限公司（生產(chǎn)基地）和合肥分部（研發(fā)基地）。

公司現(xiàn)有成員35人，其中博士18人，核心技術(shù)與成員均來自于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)?？蒲腥藛T創(chuàng)業(yè)，乘上了國家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)政策的“東風(fēng)”，也仍是一個不小的挑戰(zhàn)。

所幸這個創(chuàng)業(yè)團隊，技術(shù)實力足夠“硬核”——核心成員曾先后負責(zé)和參與“墨子號”量子通訊衛(wèi)星、量子通信京滬干線、國家重大軍事任務(wù)等，擁有量子探測激光雷達的海陸空運行經(jīng)驗，曾獲軍隊科技進步一等獎、日內(nèi)瓦國際發(fā)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(yōu)勢。

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

由于量子技術(shù)、集成光電子技術(shù)、光通信技術(shù)在激光雷達中的應(yīng)用，國耀量子研制的量子探測激光雷達，有著明顯的優(yōu)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(shù)最高，利于進行大范圍城區(qū)推廣；

研發(fā)了應(yīng)用于激光雷達的高量子效率、低暗計數(shù)噪聲的單光子探測器，探測效率高，利于實現(xiàn)遠距離掃描；

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

研發(fā)了全光纖光學(xué)器件，可實現(xiàn)系統(tǒng)全光纖鏈接，緊湊小巧，防振性能優(yōu)越，尤其適合在機載、艦載、星載等特殊平臺運行，且適合系統(tǒng)小型化、模塊化的大批量生產(chǎn)，利于后期維護；

同時，其可實現(xiàn)全天時工作，可進行污染源的區(qū)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(tǒng)小型化、高穩(wěn)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(chǎn)品，國耀量子還可為用戶提供系統(tǒng)、科學(xué)的解決方案，提供定制化的雷達生產(chǎn)，根據(jù)用戶需求實現(xiàn)氣象參數(shù)，如風(fēng)、溫、濕、密度等探測，以及環(huán)保參數(shù)，如PM2.5／PM10、能見度、大氣污染成分、污染顆粒物偏振態(tài)等的探測，服務(wù)于環(huán)境保護、數(shù)字氣象、航空安全、智慧城市、囯防安全等多個領(lǐng)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(fēng)切變，機組立即采取復(fù)飛并啟動應(yīng)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(fēng)切變則再次成為人們關(guān)注的焦點。

風(fēng)切變是一種大氣現(xiàn)象，是風(fēng)速在水平和垂直方向的突然變化。風(fēng)切變，特別是低空風(fēng)切變，是導(dǎo)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(fēng)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(xiàn)的湍流，一般認為它也與風(fēng)切變有關(guān)。這些特殊大氣現(xiàn)象的存在，嚴重影響著民航飛機的飛行安全。

軍事領(lǐng)域面對的風(fēng)場與氣流情況更為復(fù)雜。以航母艦載機的降落為例，飛行員不僅要考慮海區(qū)氣象條件，還要關(guān)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(fù)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(chǎn)生上洗氣流，在艦尾處形成較強的尾流，在艦側(cè)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(fēng)險大，事故發(fā)生率高。

量子探測激光雷達系統(tǒng)的出現(xiàn)，為這些難題提供了目前技術(shù)水平的最優(yōu)解。針對風(fēng)切變等特殊大氣現(xiàn)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(zhuǎn)換的測風(fēng)激光雷達，另外一種是基于超導(dǎo)單光子探測的測風(fēng)激光雷達。兩種方案，均可實時、連續(xù)監(jiān)測風(fēng)場變化，實現(xiàn)風(fēng)切變預(yù)警，在最大程度上規(guī)避風(fēng)險，保障飛行安全。

與之相似的，國耀量子同樣可以根據(jù)不同需求，研制生產(chǎn)不同形制、性能的量子探測激光雷達系統(tǒng)，以服務(wù)于臨近空間飛艇環(huán)境保障、衛(wèi)星發(fā)射場風(fēng)切變預(yù)警、化學(xué)播撒預(yù)警、海上風(fēng)切變預(yù)警、衛(wèi)星軌道預(yù)測和目標搜索，乃至超低彈等戰(zhàn)略武器高精度制導(dǎo)等場景。

國耀量子同樣可提供民用領(lǐng)域的探測方案，比如風(fēng)場探測、污染探測等。

在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，量子探測激光雷達系統(tǒng)可以提供風(fēng)葉正前方的實時風(fēng)場變化信息，從而反饋給風(fēng)機及時調(diào)整風(fēng)葉方向，以達到最優(yōu)的發(fā)電效率，減少電機損耗。同時，量子探測激光雷達系統(tǒng)可以進行某區(qū)域內(nèi)的長時間風(fēng)場數(shù)據(jù)累計測試，為風(fēng)機的選址提供評估數(shù)據(jù)支持。

在氣象環(huán)保領(lǐng)域，量子探測激光雷達可以定位污染源的排放，實現(xiàn)對工地揚塵的監(jiān)測，及污染源凈排放的計算等。如今，國耀量子已經(jīng)形成了一套可長期穩(wěn)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(tǒng)，比傳統(tǒng)雷達具有更高的性價比。這一系統(tǒng)可實現(xiàn)對廣域范圍內(nèi)大氣污染源、能見度信息、PM2.5／PM10、工地揚塵等24小時實時監(jiān)測，同時結(jié)合對大氣風(fēng)場信息的監(jiān)測可以區(qū)分大氣傳輸和區(qū)域內(nèi)生成污染，定量監(jiān)測每一個大氣污染源，定量計算每個單位的凈排量，為環(huán)保部門的監(jiān)管執(zhí)法提供可量化數(shù)據(jù)支持。

每一次大的科技突破，都會引發(fā)人們思想觀念的革新，而后是生活方式的變革，量子技術(shù)同樣如此。國耀量子所做的，正是將量子技術(shù)從實驗室搬到人們的生產(chǎn)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(fā)點，不斷創(chuàng)新、堅持創(chuàng)新、持續(xù)創(chuàng)新！因為他們堅信：未來已來，唯變不變。