量子LiDAR的并行多目标探测

《Laser & Photonics Reviews》：Parallel Multi-Target Detection for Quantum LiDAR

　　

量子LiDAR在低光环境下可提供强噪声韧性，但此前大多数演示依赖于光栅扫描的望远镜指向，即按顺序询问目标方向。研究人员在此提出一种波长随机性驱动的光束偏转方案，可实现并行多目标探测。利用自发四波混频（spontaneous four-wave mixing, SpFWM）产生的光子对，探测光子由光栅衍射为波长依赖的角度，该角度因固有的波长随机性而在事件间变化。 herald光子（heralding photon）在色散介质中传播所产生的延迟到达时间编码了探测光子的波长，从而识别相应的衍射方向。这种时间?到?角度映射使得对多个目标的同时询问成为可能，而量子关联测量在相同条件下相较于经典LiDAR实现了高达1000倍的信号?背景噪声比提升。相应的信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）增强随背景噪声增加而提高，与理论预测一致，尽管由于有限的有效heralding效率，本实验中未超过1。研究人员的结果建立了一种基于事件级角度编码和符合计数（coincidence-based）读出的并行量子增强低光传感实验室原理验证架构，对量子计量学和关联光子传感应用具有潜在相关性。

研究背景方面，量子信息技术利用光量子态可超越经典光学极限，但需长相干时间与低损耗。量子传感领域包括量子鬼成像（quantum ghost imaging）、量子照明（quantum illumination）与量子光探测及测距（quantum light detection and ranging, 量子LiDAR），利用光子对关联从背景噪声中区分所需信号光子，在低光环境下显著提升信号?背景噪声比（signal-to-background noise ratio, SBR），在强背景噪声与低光子通量操作等恶劣条件下遥感具潜在应用价值。相位敏感联合测量下的量子增强已超过最优经典极限并在多领域实验验证，亦有研究表明利用位移压缩光与零差探测可在海森堡极限实现目标距离与速度同时测量。另一方面，利用光子对强关联的无相位敏感符合计数测量，其SBR增强正比于符合?偶然比（coincidence-to-accidental ratio, CAR），代表光子对关联强度，可通过降低每模式对产生率提升CAR，增加时间、空间与光谱域模式分离有利于量子成像与LiDAR，但会因每模式光子数减少延长探测时间。类似量子鬼成像的并行观测策略可降低每空间模式光子对产生率并获得大CAR值。量子LiDAR中实现并行观测极具挑战，因需用探测随机散射光子获取多像素空间信息。迄今量子照明与量子LiDAR主要靠扫描单空间模式光束，采用高时间分辨率探测器低效低光探测；量子鬼成像靠位置?动量关联光子对自然实现并行观测，但拓展至量子LiDAR需兼具高时间分辨率（约1 ns）的空间分辨探测器，技术难度高。因此需新技术实现带精确角度与距离信息的并行方向测量。经典LiDAR已采用波长?时间编码、混合波长/时间复用与光谱光束偏转，量子成像研究显示频率关联光子对可将光谱关联映射为时间或空间信息，但尚未有实验将宽带频率关联光子对源、herald光子色散时间读出与探测光子光谱?空间编码结合，用单一高时间分辨率探测器通道实现并行角度?距离确定的LiDAR架构。为此，研究人员提出量子增强并行光探测及测距（quantum-enhanced parallel light detection and ranging, QEP-LiDAR），利用光子集成电路（photonic-integrated-circuit, PIC）产生的宽带高产生率光子对，具有强时间?光谱关联的herald与探测光子对中，herald光子用于确定波长以识别对应探测光子方向，探测光子经光栅依波长衍射至不同方向并由物体反射。在噪声条件下，受限于有效heralding效率本实验未实现SNR量子优势，但系统获高于可比经典LiDAR的SBR，与理论预测一致，未来可通过更高量子效率超导纳米线单光子探测器（superconducting nanowire single-photon detector, SNSPD）与更低损耗光学元件提升有效heralding效率。该方法无需机械或电子光束偏转即可实现并行多目标探测，推进量子传感。

关键技术方法方面，研究人员采用重复频率脉冲激光泵浦1 cm硅波导通过自发四波混频（SpFWM）产生宽带光子对，泵光中心频率对应波长1550 nm，谱宽约13 nm，脉宽皮秒级。光子对进入约25.248 km Corning SMF-28光纤卷作为色散介质实现频率依赖时间分离，测得时间分离约数纳秒。herald光子经带通滤波（中心波长约1270 nm，0.5 dB带宽）由SNSPD探测并记录到达时间于时间相关单光子计数器（time-correlated single photon counter, TCSPC）通道1；探测光子经环行器、准直透镜与600 grooves/mm衍射光栅自由空间衍射至目标，反射后回环行器由另一SNSPD探测并记录于TCSPC通道2。噪声由放大自发辐射光源经分束器耦合入探测光路，并经带通滤波（中心波长约1550 nm，0.5 dB带宽）限制谱段。到达时间以0.1 s分段记录并于PC软件累加处理。通过herald光子到达时间与泵参考时间由色散关系提取频率，结合光栅方程得探测光子方向，由herald与探测光子时差得目标距离。符合计数（coincidence counts, CC）分析用于并行多目标定位与噪声韧性定量评估。

研究结果部分，各小节保留原文结构标题并简述。

3 Experimental Results 下含3.1 Experimental Setup，研究人员搭建QEP-LiDAR实验装置，泵浦激光重复频率设定，中心频率对应1550 nm，谱宽13 nm，脉宽皮秒级，部分泵光由InGaAs探测器探测并以TCSPC通道1记录参考时间，硅波导后泵光被带通滤除，光子对入25.248 km SMF-28光纤卷色散分离，herald光子经带通滤波由SNSPD与TCSPC通道2记录，探测光子经环行器、准直透镜与600 grooves/mm光栅自由空间衍射，角分离约3.4×10^?2 rad，目标反射后回环行器至SNSPD通道2，噪声源为放大自发辐射并经带通滤波匹配探测光子谱段，数据以0.1 s分段记录近实时更新处理。

3.2 QEP-LiDAR Measurement，研究人员基于记录的泵参考、herald与探测光子到达时间用公式(2)测光栅至目标距离，TCSPC记录通道1与2间CC，无自由空间传输与噪声注入时CC散布显示herald光子频率偏离泵频越大到达越早、探测光子越晚，证实光纤卷后herald与探测光子强频率?时间关联；对五个镜面目标测试显示因准直透镜、光栅与镜面损耗总体CC降低，但探测光子到达时间与herald光子分布限定于特定时间窗，高斯拟合标记最大CC到达时间可得飞行时间与由herald时间得波长，变换为距离?方向图清晰显示五个离散目标，距离0.5 m至1.0 m，测距分辨率约2.2 cm来自CC时间抖动、泵脉冲带宽与光速，角分辨率约1.3×10^?3 rad来自herald光子时间抖动与光栅方程，角观测范围约3.4×10^?2 rad受限于CWDM滤波13 nm带宽与光栅密度。

3.3 Noise Resilience，研究人员在不同噪声强度下实验，噪声关断、8.2 dB、19.0 dB、29.1 dB（噪声光子约千倍于探测光子）显示即使强噪声下噪声光子沿探测光子到达时间轴均匀分布，但目标位置仍可辨识；定量比较SBR与SNR，经典比对为相同亮度、带宽、探测窗与光学吞吐量下的匹配直接探测光子计数基线而非最优相干探测经典极限，选每目标最高CC的herald与探测时间仓以约100 ps窗计算，SBR_Q与SBR_C随噪声增近似平行下降，SBR_Q不依赖泵峰值功率，SBR_C随泵峰值功率降低而提升得益于光子对关联噪声韧性，测量SBR_Q接近CAR理论线且近1000倍优于经典；SNR_C已进入背景主导区（η_bN_b?η_sR_pair）随噪声增而降，SNR_Q因符合测量抑制非关联背景贡献几乎平坦，虽受限于有效heralding效率约1%–2%未超1但随噪声增而增，表明高噪环境下SNR量子优势更显著；五目标间差异源于硅波导相位匹配带宽、滤波与光栅耦合器谱依赖及收集非均匀与统计涨落，低泵功率下更大弥散来自低计数统计不确定。

3.4 Integration Time Required for Target Localization，研究人员以60 s积分评估SBR增强稳定性，分析高斯拟合峰中心收敛，以最终20 s平均峰中心为参考，容差150 ps对应点目标测距分辨率时间等价，目标视为收敛当偏差首次落入150 ps内并此后维持；无噪声下各目标收敛时间0.2–9.1 s，29.1 dB噪声下最长15.8 s，并行25空间模式对应每模式少于0.7 s，SBR近似不随积分时间变，SNR∝√t；表列四噪声条件下五目标收敛时间分布。

讨论与结论翻译部分，研究人员总结成功用QEP-LiDAR实现目标探测与测距，通过色散介质解析herald光子到达时间确定探测光子频率与传播方向，验证量子LiDAR关键优势即噪声韧性，相同条件下SBR显著高于经典LiDAR，该噪声韧性抑制背景对SNR贡献并确认SNR_Q随噪声增而增的趋势，其中SNR_C已背景噪声受限而SNR_Q未；此外Fisher信息分析确认所有实验条件下量子系统较经典对应获得更高参数估计精度（SNR_Q＞SNR_C），即便低噪下SNR_Q未达量子优势；并行目标探测实验获测距分辨率2.2 cm与角分辨率1.3×10^?3 rad，可借更好电子与光栅提升；本实验为静态目标未涉动态场景，经典直接探测LiDAR若用更高每脉冲光子通量与覆盖同视场光子计数阵列可在所探噪声级更快定位，本研究意义在低光子通量下光子对关联提供超越可比直接强度探测的背景韧性，视为架构原理验证并计划未来研究动态场景；研究首次在量子LiDAR框架内实现并行观测系统，时空偏振光谱等模式分离增噪韧性，QEP-LiDAR用空间分离探测光子模式并行测量提升SBR，因这些指标依赖比光栅扫描更大模式分离，类似提升可预期于其他模式分离应用，实验在保持噪声韧性下降低每测量方向平均光子数；现有25.248 km光纤卷为原理验证色散元件非实用部署件，未来可在光子集成电路用啁啾布拉格光栅、高色散波导或阵列波导光栅实现所需色散与光谱?空间映射，将系统足迹缩至cm级并降插入损耗，所展示高SBR与并行多目标探测对推进量子计量学、量子通信与量子网络应用具重要潜力。