量子雷达毕业设计论文(编辑修改稿)

量子雷达毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

[3]认为 ,量子波函数的坍缩 (Collapse)十分类似于人脑记忆中的神经模式重构现象。 哈佛大学 的 Gould 则进一步证明了玻尔 (Bohr)的量子过程的本体论解释和感知器的脑过程的完全性理论有同样的数学结构 ,这两个过程的动态方程都包含了一种场 ,即量子势或神经势 ， 基于量子势的量子过程和基于神经势的脑过程的动态方程有惊人的相似之处。 从以上分析可以看出 ,人类大脑的神经网络具有量子计算的特点。 通过模拟人 类神经网络处理图像的机理来重新设计雷达 ,可以得到一个快速高分辨率 ,而技术上又相对可行的雷达成像系统。 首先 ,人类视觉成像系统是并行的。 目标各个点的光波 (电磁波 )反射来的信号通过光学透 (眼 睛 ),并行地照射在视网膜上 ,视觉细胞将光信号转化为神经脉冲信号 , 经视神经束并行投射到大脑相应的区域。 需要说明的是 ,人脑成像利用的是光的量子特性。 光通过透光物质类似设置了一定的电磁场环境的光栅 (晶体各原子具有相应的电场和磁场 )， 光子不被透光物质原子吸收。 从物质的波粒二象性来看 ,波动性表达物质 (能量 )的弥散特性 ,传达的是一种背景 信息 ； 粒子特性表达物质 （ 能量 )的点特性 ,传达的是一种精确信息 ,虽然 ,低频电磁波波动性强于粒子特性 ,但是 ,它同样存在粒子特性 ,只不过很弱 , 只要我们通 过 量子雷达 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第 2 页 共 25 页 一定的测量手段是可以获得它的粒子特性 ,从而可以获得它所带回来的 、 精确的目标信息 (点信息 )。 量子雷达原理 量子雷达工作原理 通过以上分析 , 我们可以给量子雷达下一个定义 :利用电磁波的粒子特性进行远距离目标探测的系统。 量子雷达完全可以模拟人类的成像系统。 为了叙述方便 ,在这里说明一下 : 我们把电磁波的一份能量叫做一个光子。 由并协原理可知 , 如果在一个装置中能够在物理上互相区分态 , 则可探测到电磁波的粒子特性 [4]。 例如 ,利用计数器观察电子究竟通过双缝衍射试验中的哪个缝隙 , 则电子的衍射图像就消失了 ,即我们只要选择了相应的测量条件 ,就只能测得表达相应特性 (波动性或粒子性 )的物量。 根据以上原理 ,量子雷达的探测信号 ,是原子的电子从一个能级跃迁到另一个能级时 ,所发出的电磁波 ,具有特定的状态。 一般说来 ,电子特定状态可以是电子的自旋。 多个已知自旋状态的电子 (相当于信号编码 )发射的电磁波 ,被物体反射后进行接收。 接收机通过分析电子吸收反射波后 ,其状态 (自 旋 )的改变规律 ,就可获得目标信息。 目前 ,电磁波与电子自旋状态之间的关系还需进一步研究。 如果它们之间的关系只能保持在一定的相干时间内 ,则目标的探测必须在相干时间内完成。 量子雷达组成 量子雷达由发射系统和接收系统组成。 如图 1 所示 , 图 1 发射系统 磁透镜。 电位变化 编码 量子神经网络并行处理器 输出 编码。 ...............。 ...............。 ...............。 ............... 改变靶电位 编码 磁透镜 发射光子。 量子雷达 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第 3 页 共 25 页 图 2 接收系统 发射系统主要由靶 (n 个原子组成 )、量子编码系统和磁透镜组成。 接收系统由磁透镜、接收靶和信息处理系统组成 , 如图 2。 编 码采用量子避错码。 量子避错码基于消相干中的集体效应。 集体消相干和独立消相干具有本质的不同 ,最突出的一点是 ,对于集体消相干 ,存在相干保持态。 相干保持态是指一类能在噪声环境下保持稳定的态。 目前已经在核磁共振中演示了纠相位错的三比特 [5]和两比特 [6]纠错码。 靶在设置好初始条件 (编码表达的电磁场强度大小 )后 ,使靶原子能级发生跳变发出电磁波 (载波 )。 电磁波碰到物体形成反射波。 接收靶工作原理类似激光产生原理 : 接收到的反射波作为激光器的激励光源。 通过反射腔使激光放大 ,从而达到接收并放大信号的目的。 磁透镜类似 人类的眼球的作用 , 起到空间信息排列的作用。 信息处理系统主要采用量子神经网络 ,以利用其天然并行计算的特点进行快速图像识别。 量子雷达的关键技术 量子雷达的关键技术有如下几方面：量子信息调制技术、量子信息解调技术和量子信息处理技术。 （ 1） 量子信息调制技术 如图 3 所示， 量子信息调制技术包括：量子信息编码，量子信息调制 ， 量子信号发射。 图 3 量子信息调制技术 量子信息编码 量子信息编码包括电子自旋态辨识和量 子信息编码。 电子自旋态辨识也称自旋极化，一般在实验室中采用的产生自旋极化的方法分为 4 类： 1） 光学激发的方法，利用半导体中的化学选择定则产生自旋极化 ； 2） 利用电学方法将极化从其它材料中注入到半导体中； 3） 通过含时外场在半导体中激发自旋极化 ； 4） 利用静电场通过自旋霍尔效应等方法产生自旋极化．目前以上各种电子自旋态极化方法都不能 100％ 产生单一的状态。 但这一关键技术进展很迅速。 不久的将来就会获得重大突破。 自旋驰豫和去相位的几个特征： 1） 只有垂直于自旋极化的噪声磁场才能导致自旋衰减，因为只有这样的磁场能转动自旋； 2） 在静磁场不存在时，自旋驰豫和去相量子信息编码 量子信息调制 量子信号发射 息编码量子信 量子雷达 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第 4 页 共 25 页 位的速率正比于噪声关联时间 τｃ （这个违背直觉的结果称为运动变窄）； 3） 静磁场抑制垂直于它的噪声磁场的作用。 第三个特征可以这样理解，静磁场转动了自旋使得它有时候垂直，有时候平行于噪声磁场，从而使得噪声磁场的作用减弱了。 目前最主要的问题是找到一种较容易产生自旋极化的方法，即要求左右旋电子运动规律有显著的区别；其次是如何获得较长的自旋驰豫时间，而增加驰豫时间最主要的是减小垂直于自旋极化的噪声磁场。 对量子信息编码来说，微观粒子的状态空间是ｎ维的 Hilbert 空间。 实际 的量子编码是构造一个 ｎ 维的 Hilbert 空间，其中的某些状态即是信息码。 量子信息论中的信息载体 ——— 量子比特，可以处于｜ 0〉 ， ｜ 1〉两个本征态的任意叠加态，而在对量子比特的操作过程中，两态的叠加振幅可以相互干涉，这就是所谓的量子相干性．已经发现，在量子信息论的各个领域，量子相干性都起着本质性的作用，可以说，量子信息论的所有优越性均来自于量子相干性，但由于环境的影响，量子相干性将不可避免地随时间指数衰减，这就是困扰整个量子信息论的消相干问题。 对于消相干引起量子错误来说，量子编码的目的就是为了纠正或防止这些量 子错误。 目前已获得了几种最重要的量子编码方案： 1） 量子纠错码； 2） 量子防错码； 3）量子避错码。 量子信息调制 研究表明，物质光谱的谱线（主频率）主要由电子的轨道角动量决定，而其自旋角动量决定谱线的宽度，即谱线的分裂。 在量子雷达技术上，通过将电子的自旋与其激发出的电磁波的特性对应上（如电磁波的频率和极化形式 )，从而实现电子的自旋态调制在电磁波上。 早期的光学测量都是采用光致发光的方法。 从光吸收过程的选择定则可以知道，相反的过程，即发光的过程载流子的自旋极化会反映到发光的偏振度中。 测量发光的极化 度 就可以知道载流子的自旋极化，发光的极化度等于电子自旋极化度的一半。 量子信息解调就是对微观粒子的状态进行测量；由于测量势必导致量子状态的改变，从而模糊了原有的调制信息。 因此，在对量子信息调制时，必须考虑如何消除由于量子态的变化而引起的调制信息丢失。 一般说来，如果调制器的工作方式就是一种所谓的幺正操作，则器件对量子状态的改变是“透明的”，能够通过解调器（另一种幺正操作）确定其相应的变化。 下面给出一个量子信息调制的基本思想：将具有特定自旋态的电子序列（即经过编码的）投射到半导体器件上，使电子激发到导 带上；半导体成为空穴性材料。 相应的发射出的光子携带了电子的自旋状态信息，从而完成了信息的调制和发射。 信号发射 由物质的可知性给出一个公理：任何物质系统的相互作用信息必定准确地传递给周围的观测者。 由此可以得到通信领域的一个猜想：任何两个物质系统之间至少存在一条不失真的单光子信道。 因此，单光子信道是最好的信道。 它不受干扰 量子雷达 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第 5 页 共 25 页 且必定被环境广泛反射形成多条回波信道，实际上，这反映出信源（辐射源）与信宿（目标）的相互作用。 因此，信号发射部分可以直接发射调制信号，不必担心信号弱而解调不出目标信息。 （ 2） 量子信息解调技 术 如图 4 所示， 量子信息解调技术包括：量子信息解调，量子信息译码。 图 4 量子信息解调技术 量子信息解调 解调主要涉及发射的光子（电磁波）所携带的，电子自旋态的识别问题。 主要由单光子接收机（聚束和排序）和识别器件组成。 实际上大多数的光子都是由空穴产生的，因此，根据泡利不相容原理（每个原子能级（类似轨道）上只能存在两个自旋相反的电子），有基本思想：发射完信号而形成的空穴器件作为接收器；它在一定的时间内 ，需要由相同状态的光子激发，使“匹配”的电子回到空穴中．发射出的光子序列经目标反射后被接收到，其能量状态刚好激发器件的电子由导带回到禁带上，这样就完成了电子自旋态的识别．这里需指出的是，信道（包括目标对光子的反射）对光子的作用（变换）可以认为是一守恒算符，如果解调机制可看做是与其对易的算符集，则根据前述定理，回波光子状态没有简并，可通过能量模式精确识别回波光子，从而完成目标的探测。 但是这种“守恒”状态有一定的“寿命”，所以必须在一定时间内完成发射和接收。 由于电子的自旋如同其质量、电荷一样也是内禀量，用电子的 自旋态作为量子信息载体具有独特的优势：每个电子的自旋态携带其内禀信息，不容易被杂质或缺陷散射破坏；自旋态也容易通过调节外部的电场或磁场来进行控制。 因此，可以想见回波携带的自旋状态信息不会受到“不可识别”的影响。 这使得量子雷达具有很强的抗干扰能力。 目前，实验上主要是通过光学方法或电学方法来探测自旋极化。 其中光学方法包括光致 \电致发光、 Hanle 效应、时间分辨的 Faraday 旋转和 Kerr 效应 [7]。 而电学方法，一般是利用铁磁材料和半导体界面的自旋依赖的输运性质，比如测量通过不同磁。