Detecting a target with quantum entanglement
在过去的十年中，大量的研究活动集中在使用量子纠缠作为远程目标探测的资源，即量子雷达的设计上。有关这一主题的文献使用了量子光学和量子信息理论的工具，因此它的结果往往对雷达工程师来说是模糊的。这篇综述就是为了消除这种模糊性而写的，因此，它包含了对量子雷达文献中主要进展的回顾，并伴随着对其理解所必需的量子光学背景的全面介绍。
2021-07-21 quant-ph
Quantum Radar Cross Section with two-photon entangled states
Agency for Defense Development（国防发展局）；Cryogenic Electronics & Quantum Research, Naval Information Warfare Center Pacific（海军信息战中心太平洋分部低温电子与量子研究）
研究双光子纠缠态在量子雷达截面中的应用，推导信号-信号纠缠的双光子QRCS公式，证明其相比单光子和可分离双光子QRCS的增强效果，并利用双高斯近似得到任意纠缠度下的QRCS公式。
2026-06-04 quant-ph
Advances in Quantum Radar and Quantum LiDAR
本综述探讨了量子雷达和量子激光雷达的进展，重点分析利用纠缠等量子特性提升灵敏度与目标检测精度的原理、协议及实验现状。
2023-10-11 quant-ph
Quantum ranging with Gaussian entanglement
众所周知，纠缠可以使量子信息处理任务受益。量子照明，当第一次被提出时，是令人惊讶的，因为纠缠的好处生存纠缠破坏噪音。从那时起，许多人致力于研究噪声环境下的量子传感。然而，这种方案的适用性仅限于二进制量子假设检验场景。在目标检测方面，这种方案每次询问单个极化-方位角-仰角-距离-多普勒分辨率仓，限制了对雷达检测的影响。我们解决这个二进制假设的限制，提出了一个量子测距协议增强纠缠。通过制定一个测距任务作为一个多元假设检验问题，我们表明，纠缠使一个6 dB的优势，对最佳的经典方案的误差指数。此外，所提出的测距协议还可以用于实现脉冲位置调制的纠缠辅助通信协议。我们的测距协议揭示了纠缠在一般量子假设检验任务中的潜力，并为具有可证明的量子优势的量子测距雷达铺平了道路。
2021-04-01 quant-ph
Engineered Josephson Parametric Amplifier in quantum two-modes squeezed radar
约瑟夫森参量放大器（JPA）工程是量子双模压缩雷达（QTMS）中的重要组成部分，用于提高雷达性能和探测范围或带宽。在本研究中，我们将量子理论应用于一个研究领域，聚焦于QTMS雷达的设计。我们应用工程JPA（EJPA）来提高量子雷达（QR）的性能。我们研究了信号和闲频之间的相关性，并提出了在室温下保持纠缠的策略。定义了量子相干多目标雷达的量子信噪比和探测距离方程。工程JPA导致量子雷达性能的显着改善，即量子SNR的约6 dB的大幅增强，通过少得多的信道检测概率的大幅提高，以及QTMS雷达范围的巨大增加，从传统JPA的半米增加到当前研究的482米。
2022-05-12 quant-ph
Introduction to quantum radar
在简要介绍了量子纠缠和量子关联的概念之后，讨论了基于量子照明和其他协议的量子雷达的几种方案。我们回顾了不同的概念，已被引入，以克服一些固有的困难，在实现量子生成和/或检测量子传感协议的雷达应用。我们的评论是一个最新的关键介绍的最先进的，重点是在个案的不同概念的可行性评估。我们的目标还包括让该领域的非专家也能访问该审查。因此，包括几个附录和一个技术词汇表。
2021-01-18 physics.app-ph quant-ph
Object Tracking and Identification by Quantum Radar
量子雷达是一项很有前途的技术，可能会对民用和军事领域产生重大影响。在这项研究中，我们介绍了一种新的概念设计实现量子雷达，基于时间和偏振相关的纠缠光子的检测和识别和跟踪的高速目标。该设计的重点是通过纠缠光子的精确定时来提取目标的高分辨率细节，从而提供重要的操作能力，例如区分目标和诱饵。量子纠缠特性保证了搜索望远镜捕获光子的合法性。光子探测事件的时间相关性可以通过纠缠光子的两组光子探测时间标签之间的互相关操作来提取。纠缠光子的波长可以调整的事实也使量子雷达概念成为跟踪隐形物体的诱人候选者。我们介绍了量子雷达的原理验证测试结果，并讨论了设计的技术挑战和局限性。
2019-08-19 quant-ph
Demonstration of Quantum Advantage in Microwave Quantum Radar
本研究使用超导电路实现探针模与闲置模的联合测量，首次在微波雷达中演示了量子优势(Q>1)，揭示了存储闲置模可减轻损耗影响，并指出了实现量子雷达的固有困难。
2023-03-02 quant-ph
Quantum-Enhanced Noise Radar
我们提出了一种新的量子照明协议：量子增强噪声雷达。一个双模压缩态，它表现出连续变量之间的纠缠所谓的信号和空闲光束，被用作输入到雷达系统。与现有的量子照明方案相比，我们的协议不需要联合测量的信号和空闲光束。这极大地增强了系统的实用性，例如，消除了对量子存储器来存储闲频的需要。我们进行了微波制度的原理验证实验，直接比较的性能的双模压缩源的一个理想的经典噪声源，饱和的经典界相关。我们发现，即使在存在显着增加的噪声和损失，量子源优于经典源多达一个数量级。
2018-12-10 quant-ph
Controlling tripartite entanglement among optical cavities by reservoir engineering
我们研究了如何利用非马尔可夫浴来控制光腔之间的三重纠缠动力学。特别是，我们演示了如何通过利用具有不同类型的洛伦兹和欧姆谱密度的非马尔可夫浴的水库工程可以导致纠缠生存更长的时间，在某些情况下，相当大的恢复似乎失去了纠缠。这两种行为表明一个更好的可持续性的纠缠（在时间上）相比，通常的马尔可夫浴的情况下，假设一个平坦的频谱周围的系统谐振频率的浴。我们的方案显示了这些影响的上下文中的光学腔开始在一个最大的纠缠W和Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）三方状态。在Lorentzian的情况下，我们发现，远失谐的双Lorentzian浴与小耦合强度和欧姆型浴超欧姆环境具有较小的截止频率是保持腔之间的纠缠显着的时间量的最佳候选人。采用非马尔可夫量子跳跃方法研究了这种情况下的纠缠动力学，特别是研究了W态和GHZ态纠缠的崩溃和恢复。
2015-03-24 quant-ph
Quantum radar with unreflected photons
本文提出一种不测量目标散射光子的量子雷达反射率估计与检测方案，通过哈密顿动力学与光学量子线路两种描述分析其性能，并指出其在光学主动接收机设计中的应用。
2024-08-21 physics.optics quant-ph
Path Entanglement of Continuous-Variable Quantum Microwaves
路径纠缠是量子信息和通信协议中不可或缺的资源。在这里，我们证明了频率简并纠缠沿两个空间分离的路径传播的连续变量量子微波之间。我们用微波分束器把压缩态和真空态结合起来。通过相关测量，我们检测和量化的路径纠缠包含在分束器的输出状态。我们的实验为量子隐形传态、量子通信或微波频率下连续变量的量子雷达开辟了道路。
2012-10-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Entanglement preservation in tripartite quantum systems under dephasing dynamics
本研究针对有限温度结构化退相环境下的三重量子系统，采用纠缠相对熵分析纯态与混合态的纠缠动力学，揭示纠缠分布与环境构型的关联及储层记忆对纠缠维持的增强作用。
2023-11-09 quant-ph
Ultimate accuracy limit of quantum pulse-compression ranging
雷达使用飞行时间测量来从其返回的往返距离延迟推断到远距离目标的距离。它们通常发射高时间带宽积波形，并使用脉冲压缩接收，以在峰值发射功率约束下同时实现令人满意的距离分辨率和距离精度。尽管有许多关于量子雷达的提议，但没有一个人描绘出测距精度的最终量子极限。我们通过连续时间量子分析得出了这一限制，并表明量子照明（QI）测距-一种量子脉冲压缩雷达，利用高时间带宽积传输信号脉冲和高时间带宽积保留空闲脉冲之间的纠缠-实现了这一限制。我们还表明，QI测距提供的均方距离延迟精度，可以是10的dB优于一个经典的脉冲压缩雷达的相同的脉冲带宽和发射能量。
2021-09-22 physics.optics quant-ph
Entangling two microwave modes via optomechanics
我们在理论上提出了一个由机械谐振器、光学法布里-珀罗腔和两个超导微波电路组成的混合系统，在两个微波模之间产生稳态连续变量的量子纠缠。结果表明，在实验可及的参数范围内，该混合系统也可以实现其他两体子系统的量子纠缠，这在量子信息处理和量子照明雷达中具有潜在的应用价值.
2019-11-14 quant-ph
Entanglement-enhanced Neyman-Pearson target detection using quantum illumination
量子照明（QI）提供基于纠缠的目标检测-在纠缠破坏环境中-其性能明显优于最佳经典照明目标检测。QI的性能优势是建立在贝叶斯设置与目标假定同样可能是缺席或存在和错误概率作为性能度量。然而，雷达理论避开了贝叶斯方法，更倾向于内曼-皮尔逊性能准则，以避免准确分配目标存在和不存在的先验概率以及虚警和脱靶错误的适当代价的困难。我们最近报道了一种架构-基于和频生成（SFG）和前馈（FF）处理-最小错误概率QI目标检测与目标存在和不存在的任意先验概率。在本文中，我们使用我们的FF-SFG接收的结果，以确定接收机的工作特性-检测概率与虚警概率-最佳QI目标检测下的内曼-皮尔逊准则。
2017-03-07 quant-ph
Affect of Simulated Atmospheric Turbulence on Three Entangled Photons
G。Puentes等人[Phys.Rev.A75，032319（2007）]。本文提出了一种利用模拟大气湍流测量三纠缠光子GHZ态纠缠效应的方案。我们模拟了在三个纠缠光子路径中交替引入湍流对纠缠GHZ态的影响。我们观察到，通过在光子路径中引入湍流，由于熵的增加，我们失去了纠缠特性。将模拟结果与Werner曲线进行了比较，发现模拟结果与理论结果吻合较好。
2018-07-25 quant-ph
Quantum Illumination with a generic Gaussian source
为了降低量子照明对纠缠的要求，我们研究了发送端的高斯态族，以及接收端的最优联合量子测量的性能.我们发现，最大的纠缠是不是严格必要的，以实现量子优势的相干态发射机的经典基准，在对称和非对称假设检验的设置。在进行这种量子经典比较的同时，我们还研究了一个合适的参数机制，用于潜在的短程雷达（或扫描仪）应用。
2020-07-01 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Optimum mixed-state discrimination for noisy entanglement-enhanced sensing
量子精密测量利用非经典资源，如纠缠或压缩光，以实现其性能超过经典状态系统所提供的传感器。然而，环境损耗和噪声很容易破坏非经典资源，从而抵消了大多数量子增强传感器的性能优势。量子照明（QI）是不同的。这是一个强大的纠缠增强的传感方案，其6 dB的性能优势超过相同的平均传输光子数的相干态传感器生存的损失和噪声的初始纠缠的根除。不幸的是，能够获得QI全部性能优势的最佳量子接收器的实现仍然难以捉摸，因为它必须处理大量非常嘈杂的光学模式。我们展示了和频产生（SFG）如何有效地应用于最佳多模高斯混合状态鉴别。应用到QI，我们的分析和数值计算表明，我们的SFG接收器饱和QI的量子相干性约束。此外，增强我们的SFG接收器与前馈（FF）机制推动其性能的Helstrom界在低信号亮度的限制。因此，FF-SFG接收器为最佳量子增强成像、雷达探测、状态和信道层析成像以及实际高斯状态情况下的通信打开了大门。
2016-11-29 quant-ph
Generation of non-local evolution loops and exchange operations for quantum control in three dimensional anisotropic Ising model
控制量子纠缠是实现量子信息和量子计算中量子应用的基本物理资源。控制两个原子、离子或量子点上的纠缠态是几乎所有量子应用中的里程碑，它们都是基于自旋的量子计算机或量子器件。对于磁系统，伊辛模型是一种相互作用，它产生并改变了基于物质的量子系统的纠缠特性。此外，当这种相互作用包括驱动磁场时，可以控制它来维持、表征或修改纠缠和其他量子特性。本文利用最近关于一般各向异性三维伊辛模型在非均匀磁场作用下演化的结果，得到了一些一般的量子控制效应：演化环和交换操作。这种控制可以通过一组物理参数来实现，这些参数的处方被报告。在模型中使用非局部基来表达时间演化，可以利用它来描述和控制系统，特别是与前面提到的纠缠和操作相关的问题。最后，对基于我们所开发的等效门进行了一些分析，包括一个隐形传态的例子，使用所构建的一个门。
2014-10-28 quant-ph
Entanglement dynamics of coupled quantum oscillators in independent nonMarkovian baths
这项工作致力于更好地理解如何在一个开放量子系统的纠缠，在这里表示为两个耦合的布朗振荡器，是由一个非马尔可夫环境（与记忆），在这里表示为两个独立的浴缸，每个振荡器分别相互作用。我们考虑两种设置，一个“对称”的配置，其中两个振荡器和他们的浴的参数是相同的，和一个“不对称”的配置，其中它们是不同的，特别是，一个“混合”的配置，其中两个耦合振荡器之一与一个nonMarkovian浴和其他与一个Markovian浴相互作用。我们提出了两组问题：Q1）哪种时间制度对系统的纠缠最有利？我们从详细的数值研究中得到的答案表明，A1）对于一对初始纠缠的振子，我们看到，在中间时间范围内，纠缠的持续时间与记忆时间成正比，并且它持续的时间是弛豫时间的一小部分，但是在动力学达到稳态的后期，部分转置协方差矩阵的辛特征值几乎不受益于浴非马尔可夫性。对于第二组问题：Q2）一个非马尔可夫浴的记忆可以传递给另一个马尔可夫浴吗？如果是这样，这种记忆转移是否有助于维持系统的纠缠动力学？我们对非对称混合构型的数值研究表明：A2）当一个具有短记忆时间的系统与另一个具有长记忆时间的系统耦合时，它可以获得改善，但代价是后者。纠缠的持续性取决于最容易脱离纠缠的一方。
2022-11-14 cond-mat.stat-mech quant-ph
High-efficiency entanglement of microwave fields in cavity opto-magnomechanical systems
该方案利用双光-磁-力学系统，通过磁振子介导将光学腔中的双模压缩纠缠态转移至微波腔，实现高效可调且鲁棒的微波场纠缠。
2023-05-16 quant-ph
Quantum enhanced positioning and clock synchronization
各种各样的定位和测距程序都是基于通过空间重复发送电磁脉冲并测量其到达时间。本文表明，量子纠缠和压缩可以用来克服经典的功率/带宽的限制，这些程序，提高他们的准确性。频率纠缠脉冲可用于构建量子定位系统（QPS），执行时钟同步或进行测距（量子雷达）：所有这些技术与使用经典光的类似协议相比都表现出类似的增强。量子纠缠和压缩已经在干涉测量、频率测量、光刻和算法的背景下被利用。在这里，将分析相对于固定的参考点阵列定位一方（比如Alice）的问题。
2001-06-01 quant-ph
Entanglement Enhanced Estimation of a Parameter Embedded in Multiple Phases
量子增强传感有望提高使用非经典探测器和测量的传感任务的性能，这些探测器和测量需要比最好的经典方案少得多的场景调制光子，从而获得关于广泛的物理系统的以前无法获得的信息。我们提出了一个广义的分布式传感框架，使用纠缠量子探针来估计编码在相位阵列内的场景参数，该参数由实际系统的物理特性确定，并具有函数依赖性。接收器使用由量子纠缠的多组分压缩真空光增强的激光光源来探测相位，从而估计所需的场景参数。纠缠抑制了相位阵列中的集体量子真空噪声。我们报告简单的分析表达式的Cramér-Rao界，只依赖于光学探头和测量系统的物理模型，我们表明，我们的结构化接收器渐近饱和的量子Cramér-Rao界的无损情况下。我们的方法使海森堡有限的精度估计场景参数相对于总探测能量，以及相对于调制相位的数量。此外，我们还研究了系统中均匀损失的影响，并研究了量子和经典Cramér-Rao边界的行为。我们将我们的框架应用于射频相控阵定向雷达，原子力显微镜的光束位移跟踪和基于光纤的温度梯度测量等不同的例子。
2021-06-12 quant-ph
Microwave quantum illumination using a digital receiver
量子照明是一种强大的传感技术，它利用纠缠的信号-空闲光子对来提高在明亮的热噪声环境中的低反射率物体的检测效率。在低信号功率下，与经典策略相比的优势尤其明显，这一特征可以使该协议成为非侵入性生物医学扫描或低功率短程雷达的理想原型。在这项工作中，我们实验研究的概念，在微波频率的量子照明。我们使用约瑟夫森参量转换器产生纠缠场，在自由空间检测装置中照射1米距离处的室温物体。我们实现了一种基于线性正交测量的数字相位共轭接收机，在相同条件下，尽管信号路径存在纠缠破坏，其性能仍优于对称的经典噪声雷达。从实验数据出发，我们还模拟了理想闲频光子数检测的情况，与相对经典基准相比，这导致了量子优势。我们的研究结果突出了微波量子线路的第一个室温应用的机会和挑战。
2020-01-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Challenges in Open-air Microwave Quantum Communication and Sensing
量子通信是实现一组合作伙伴之间安全通信的圣杯，因为它可以被物理定律证明是牢不可破的。量子传感采用量子纠缠作为额外的资源，通过使用较少的资源或达到经典协议无法达到的精度来确定参数。一个典型的例子是量子雷达，它允许一个人探测一个物体，而不被自己探测到，通过利用量子纠缠提供的额外资产来降低信号的强度。在光学领域，过去几年取得了令人印象深刻的技术进步，例如地面和卫星之间的首次量子通信，以及量子传感的首次原理验证实验。然而，微波量子技术的发展却更具挑战性。在这里，我们将讨论使用微波进行量子通信和传感的挑战。在此分析的基础上，我们提出了一个路线图，以实现在这些领域的实际应用。
2018-12-26 quant-ph
Performance of coherent-state quantum target detection in the context of asymmetric hypothesis testing
由于实现联合测量的困难，基于信号-空闲纠缠的量子照明方案在实际中很难实现。出于这个原因，人们可以考虑量子激光雷达/雷达的量子灵感设计，其中输入源是半经典（相干态），同时保留检测的量子方面。这些设计的性能可以在非对称假设检验的背景下通过求助于量子斯坦引理来研究。然而，在这里我们讨论的是，对于典型的有限尺寸区域，与这种方法相关的二阶和三阶展开不足以证明量子优势。
2021-09-02 physics.optics quant-ph
Performance analysis for high-dimensional Bell-state quantum illumination
本文分析Pannu等人提出的高维贝尔态量子照明的有限维性能，发现纠缠维度存在阈值，低于无量子优势，高于渐近逼近Nair-Gu界，且达到有用错误概率所需维度高于高斯态方案。
2024-09-19 quant-ph
Sensing and Communication with Quantum Microwaves
该论文聚焦传播式量子微波领域，搭建理论与应用桥梁，提出频率纠缠传感新协议并研究露天纠缠退化问题，还综述领域进展并给出未来研究路线图。
2023-10-07 quant-ph
One-Shot Detection Limits of Quantum Illumination with Discrete Signals
探测隐形目标存在的一种微创方法是用单光子探测并分析反射信号。这种传统的检测方案的效率可以通过量子照明的方法来提高，其中利用纠缠来打破经典极限。问题是，什么是最佳的量子态，使我们能够以最小的误差达到检测极限？在这里，我们解决这个问题的离散信号，推导出一个完整的和一般的一组分析解决方案，为整个参数空间，它可以分为三个不同的区域，在传统的和量子照明的相图的形式。有趣的是，当目标的反射率小于某个临界值时，所有接收到的信号都变得无用，即使使用纠缠资源也是如此。然而，确实存在量子照明可以提供优于传统照明的优势的区域;在那里，最佳信号状态是具有与环境状态的光谱成反比的纠缠光谱的纠缠状态。这些结果不仅在量子雷达等应用中施加了基本限制，而且还表明了如何对微创检测的攻击免疫。
2018-01-23 quant-ph
Coplanar Antenna Design for Microwave Entangled Signals Propagating in Open Air
露天微波量子通信和计量协议必须能够将量子资源从低温恒温器（它们在那里被创建）转移到由热噪声主导的环境中。实际上，携带这种量子资源的状态在低温恒温器中生成，该低温恒温器的特征在于温度$T_\text{in} \simeq 50 $ ~mK和固有阻抗$Z_\text{in} = 50 \, Ω$。然后，需要一个天线状装置将它们以最小的损耗传输到户外，其特征在于固有阻抗为$Z_\text{out} = 377 \, Ω$，温度为$T_\text{out} \simeq 300$ ~K。该设备实现了低温恒温器和开放空气之间的平滑阻抗匹配。在这里，我们研究了双模压缩热态的传输，发展了一种技术来设计最佳形状的共面天线，以保持纠缠。基于一个数值优化过程，我们找到了最佳的阻抗形状，我们提出了一个功能的ananimator来定性地描述这种形状。此外，这项研究表明，天线的反射率对这种形状非常敏感，因此微小的变化会显著影响即将到来的纠缠，这可能是以前使用商业天线的实验的局限性。这项工作在微波量子传感和量子精密测量领域中具有相关性，特别应用于量子雷达的开发，以及任何露天微波量子通信协议。
2022-08-16 physics.app-ph quant-ph
Quantum CDMA Communication Systems
条形码光子可以提供许多功能，这些功能可以使未来的量子通信系统和网络受益，超出今天的想象。作为光子条形码的一个重要应用，我们介绍了码分多址（CDMA）通信系统的各种应用。在这种情况下，我们介绍和讨论了一种新的量子CDMA（QCDMA）技术的基本原理的基础上光谱编码和解码的连续模式量子光脉冲。特别地，我们给出了描述理想和典型QCDMA系统的各种QCDMA模块的数学模型，如量子信号源、量子谱编码相位算子、M $\times$ M量子广播星型耦合器、量子谱相位解码算子和量子接收器。在描述QCDMA系统时，本文考虑了一种统一的方法，即输入的连续模量子光脉冲可以是任何形式的纯态，如Glauber态和量子数态。对于输入数态，可以观察到纠缠和量子干涉等特征。更有趣的是，由于海森堡的不确定原理，光子数态发出的量子信号在测量时获得完全相位不确定性。因此，在接收机输出端，多址信号间干扰消失。由于海森堡的不确定原理，在光电探测器的输出处的接收信号强度从用于输入Glauber态的相干检测方案改变为用于输入数态的非相干检测方案。我们的数学模型是有价值的信号设计和数据调制的点对点量子通信，量子脉冲整形，量子雷达信号和系统的输入是连续模式的量子信号。
2021-06-18 physics.optics quant-ph
Quantum-optical sensing and target detection
本论文提出三项量子增强传感与目标检测研究，分别探索了隐蔽检测的量子极限、光学放大器增益估计精度极限，并对比了TMSV与SPES等探针态在低信号能量下的检测性能优势。
2024-10-15 quant-ph
