《量子雷达原理》一书出版。

按照难度由简入繁的原则,将本书分为以下四个部分:
(1) 第一部分为量子信息与量子照明雷达,包括第2、3、4、5、6章。
量子照明雷达是量子信息技术与传统雷达相结合的产物。首先需要对量子信息做一个简要介绍。
为此,第2章安排量子信息中的量子态以及量子信息的基础知识。
在第3章中介绍了量子态演化与经典仿真。量子态演化是受量子力学基本规律支配的,这也是量子雷达的设计和分析所必须遵从的规律。介绍了量了态演化的特点和相关理论。同时,在没有量子雷达设备或量子计算机的情况下,需要采用经典计算机上的仿真来对量子雷达进行研究、设计和验证 。为此,对量子态演化的经典仿真进行了介绍,这一部分也是目前 现行量子雷达的研究和分析中不可回避的问题。
第4章中重点讨论量子测量基本公式和量子测量基本概念。量子测量是量子力学中的重要内容,也是任何量子计算和量子信息处理中信息提取的重要手段。在量子照明雷达中,量子测量同样发挥着十分重要的作用,它是沟通微观量子态与宏观目标存在性的桥梁。
第5章主要依据量子照明雷达接收机所收到的量子态进行目标存在性区分。
第6章讨论了存在环境噪声时量子雷达的仿真问题,特别是对量子切诺夫定理的提出背景和计算方法进行了重点阐述。
通过第2章至第6章的讨论,可以对量子照明雷达基本模型产生全面深刻的认识。因此,第2至第6章特别适合学时有限的研究生课程。

(2)第二部分为高斯态量子照明雷达,包括第 7、8章。高斯态是量子光学中十分常见的量子态,也是目前量子光学实验室中最易制备、最易操作、理论分析工具最为成熟的量子态。高斯态量子照明提出时间较早,其工作机理和性能分析也较为全面。
第7章介绍高斯态与量子信息。由于高斯态的特殊性质,对其理论描述非常简洁方便。 在第7章中重点介绍高斯态及态演化的相空间表示方法。这一方法在第8章的高斯态量子照明雷达的性能分析中有着广泛应用。
第8章利用相空间方法对高斯态量子照明雷达的误判概率进行讨论。借助于相空间的普适性,在全参数范围内对弱噪声、中等强度噪声、高强度噪声条件下的目标探测进行了系统性比较和分析。

(3)第三部分为非高斯态量子照明雷达,包括第9,10,11 章。
随着研究深入,人们逐渐认识到非高斯态和非高斯操作具有更为丰富的结构。采用非高斯量子态可以为更高性能的量子目标探测提供有力支撑。用三章的内容分别介绍非高斯态与非高斯操作的光子数空间表征、相空间表征 以及非高斯操作下含 光子损耗的量子照明雷达。具体地:
 
第9章主要讨论非高斯态和非高斯操作的光子数空间描述。光子数空间是最直接、最常用的描述方法,特别适用于光子数布居较低、信号强度和噪声强度都较小时的量子照明雷达。
第10章讨论的是非高斯态和非高斯操作的相空间描述。相空间描述方法一般只适用于高斯量子态和高斯操作。在量子照明雷达研究中,许多非高斯态和非高斯操作可以表示为一些高斯量子态的线性组合。只要分别在相空间中完成每个高斯量子态的描述,并且利用相空间向光子数空间转换的线性性质,就可以描述任意线性组合所表示的非高斯态。本章从相空间的角度完成了对光子擦除、光子催化等非常典型 的非高斯操作的描述。这为研究非高斯条件下的量子照明雷达提供了重要条件。
 
第11章讨论了光子损耗特别是非高斯型光子损耗下的量子照明雷达,重点分析了不同类型的上行信道、下行信道对量子照明雷达性能的整体影响。最后,为了提升量子照明雷达在非高斯型光子损耗下的性能,本章提出了采用双边光子擦除的办法进行量子纠缠态的预处理,提升发射信号与接收信号的量子纠缠,进而抵消了光子损耗带来的性能损失。
 
(4)第四部分为实用量子照明雷达的接收机设计,包括第12、13、14章。
作为第四部分,将主要介绍量子照明雷达的接收机设计。在前面各章关于量子照明雷达的讨论中,往往采用渐近误判概率来描述任意多份量子态发射和接收时的目标探测性能。然而,渐近误判概率能否达到,该如何逼近渐近误判概率呢?这就是接收机的设计问题。
实际上,全局量子测量需要大规模量子存储和量子测量,这在目前实际操作中还有诸多技术问题亟待解决。为此,设计基于局域量子测量的接收机是量子照明雷达走向实用的关键。
 
第12章介绍了传统雷达的接收机方案,重点讨论了 对收到的信号进行逐份平衡零拍测量的目标探测方案。从目标探测的误判概率和接收机操作特性曲线的角度对典型参数下的传统雷达接收机性能进行了分析。
 
第13章介绍了量子照明雷达的接收机方案。特别是,采用了非线性光学分束器实现了收到的量子态与闲置模式量子态的耦合,并结合多次的光子数测量的结果实现了目标存在与否的区分。最后,通过选取了与 传统雷达相同强度的目标探测信号,从误判概率和接收机操作特征曲线两方面对量子照明雷达和传统雷达进行了对比。
 
  第14章介绍了国际上第一个量子照明雷达的实验装置。结合意大利国家计量研究所的Marco Genovese教授团队的量子照明雷达实验,给出了实验的基本模型、仿真方法和实验结果。通过量子照明雷达与传统雷达的性能对比, 进一步证实了量子照明雷达在强背景噪声下暗弱目标探测中的突出优势。
 此外,最后一章即第15章,就量子照明雷达的未来应用前景进行展望。

按照难度由简入繁的原则,将本书分为以下四个部分:
(1) 第一部分为量子信息与量子照明雷达,包括第2、3、4、5、6章。
量子照明雷达是量子信息技术与传统雷达相结合的产物。首先需要对量子信息做一个简要介绍。
为此,第2章安排量子信息中的量子态以及量子信息的基础知识。
在第3章中介绍了量子态演化与经典仿真。量子态演化是受量子力学基本规律支配的,这也是量子雷达的设计和分析所必须遵从的规律。介绍了量了态演化的特点和相关理论。同时,在没有量子雷达设备或量子计算机的情况下,需要采用经典计算机上的仿真来对量子雷达进行研究、设计和验证 。为此,对量子态演化的经典仿真进行了介绍,这一部分也是目前 现行量子雷达的研究和分析中不可回避的问题。
第4章中重点讨论量子测量基本公式和量子测量基本概念。量子测量是量子力学中的重要内容,也是任何量子计算和量子信息处理中信息提取的重要手段。在量子照明雷达中,量子测量同样发挥着十分重要的作用,它是沟通微观量子态与宏观目标存在性的桥梁。
第5章主要依据量子照明雷达接收机所收到的量子态进行目标存在性区分。
第6章讨论了存在环境噪声时量子雷达的仿真问题,特别是对量子切诺夫定理的提出背景和计算方法进行了重点阐述。
通过第2章至第6章的讨论,可以对量子照明雷达基本模型产生全面深刻的认识。因此,第2至第6章特别适合学时有限的研究生课程。

(2)第二部分为高斯态量子照明雷达,包括第 7、8章。高斯态是量子光学中十分常见的量子态,也是目前量子光学实验室中最易制备、最易操作、理论分析工具最为成熟的量子态。高斯态量子照明提出时间较早,其工作机理和性能分析也较为全面。
第7章介绍高斯态与量子信息。由于高斯态的特殊性质,对其理论描述非常简洁方便。 在第7章中重点介绍高斯态及态演化的相空间表示方法。这一方法在第8章的高斯态量子照明雷达的性能分析中有着广泛应用。
第8章利用相空间方法对高斯态量子照明雷达的误判概率进行讨论。借助于相空间的普适性,在全参数范围内对弱噪声、中等强度噪声、高强度噪声条件下的目标探测进行了系统性比较和分析。

(3)第三部分为非高斯态量子照明雷达,包括第9,10,11 章。
随着研究深入,人们逐渐认识到非高斯态和非高斯操作具有更为丰富的结构。采用非高斯量子态可以为更高性能的量子目标探测提供有力支撑。用三章的内容分别介绍非高斯态与非高斯操作的光子数空间表征、相空间表征 以及非高斯操作下含 光子损耗的量子照明雷达。具体地:
 
第9章主要讨论非高斯态和非高斯操作的光子数空间描述。光子数空间是最直接、最常用的描述方法,特别适用于光子数布居较低、信号强度和噪声强度都较小时的量子照明雷达。
第10章讨论的是非高斯态和非高斯操作的相空间描述。相空间描述方法一般只适用于高斯量子态和高斯操作。在量子照明雷达研究中,许多非高斯态和非高斯操作可以表示为一些高斯量子态的线性组合。只要分别在相空间中完成每个高斯量子态的描述,并且利用相空间向光子数空间转换的线性性质,就可以描述任意线性组合所表示的非高斯态。本章从相空间的角度完成了对光子擦除、光子催化等非常典型 的非高斯操作的描述。这为研究非高斯条件下的量子照明雷达提供了重要条件。
 
第11章讨论了光子损耗特别是非高斯型光子损耗下的量子照明雷达,重点分析了不同类型的上行信道、下行信道对量子照明雷达性能的整体影响。最后,为了提升量子照明雷达在非高斯型光子损耗下的性能,本章提出了采用双边光子擦除的办法进行量子纠缠态的预处理,提升发射信号与接收信号的量子纠缠,进而抵消了光子损耗带来的性能损失。
 
(4)第四部分为实用量子照明雷达的接收机设计,包括第12、13、14章。
作为第四部分,将主要介绍量子照明雷达的接收机设计。在前面各章关于量子照明雷达的讨论中,往往采用渐近误判概率来描述任意多份量子态发射和接收时的目标探测性能。然而,渐近误判概率能否达到,该如何逼近渐近误判概率呢?这就是接收机的设计问题。
实际上,全局量子测量需要大规模量子存储和量子测量,这在目前实际操作中还有诸多技术问题亟待解决。为此,设计基于局域量子测量的接收机是量子照明雷达走向实用的关键。
 
第12章介绍了传统雷达的接收机方案,重点讨论了 对收到的信号进行逐份平衡零拍测量的目标探测方案。从目标探测的误判概率和接收机操作特性曲线的角度对典型参数下的传统雷达接收机性能进行了分析。
 
第13章介绍了量子照明雷达的接收机方案。特别是,采用了非线性光学分束器实现了收到的量子态与闲置模式量子态的耦合,并结合多次的光子数测量的结果实现了目标存在与否的区分。最后,通过选取了与 传统雷达相同强度的目标探测信号,从误判概率和接收机操作特征曲线两方面对量子照明雷达和传统雷达进行了对比。
 
  第14章介绍了国际上第一个量子照明雷达的实验装置。结合意大利国家计量研究所的Marco Genovese教授团队的量子照明雷达实验,给出了实验的基本模型、仿真方法和实验结果。通过量子照明雷达与传统雷达的性能对比, 进一步证实了量子照明雷达在强背景噪声下暗弱目标探测中的突出优势。
 此外,最后一章即第15章,就量子照明雷达的未来应用前景进行展望。

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