科研进展 | 中科院&浙大：基于高斯调制相干态的量子安全激光雷达
雷达拥有巨大的市场空间，无论是军用还是低空经济，都需要大量的雷达。而雷达对抗是作战雷达的最重要功能，量子对抗又是目前几乎唯一的有效解决途径，所以量子对抗和探测将是重点突破的研究方向之一。9月27日，中国科学院空天信息创新研究院、浙江大学湖州研究院、浙江大学控制科学与工程学院的研究人员在《Scientific Reports》期刊上发表题为“Quantum-secured LiDAR with Gaussian modulated coherent states”（基于高斯调制相干态的量子安全激光雷达）的研究论文，Dong Wang为论文第一作者，中国科学院空天信息创新研究院周良将研究员、浙江大学湖州研究院、北京中科国光量子科技有限公司赵义博博士为论文共同通讯作者。
依赖经典信号的激光雷达（LiDAR）系统容易受到拦截和最近的欺骗攻击，目标会试图避免被发现。为了解决这一漏洞，研究人员提出了一种量子安全激光雷达协议（QS-LiDAR），该协议利用高斯调制相干态开展距离测定和欺骗攻击检测。利用信号的高斯特性，激光雷达系统可以通过互相关分析准确测定目标的范围。此外，通过估计激光雷达系统的超额噪声，可以检测到目标执行的欺骗攻击，因为它会给信号带来额外的噪声。研究人员开发了目标测距和安全检查模型，并进行了数值模拟以评估激光雷达系统的接收器工作特性。结果表明，能够在较低的误报率下，以较高的概率检测到拦截和最近的欺骗攻击。此外，所提出的方法可以使用当前可用的技术来实现，突出了其在实际应用中的可行性和实用性。
背景
雷达对抗是雷达领域最重要也是最热门的问题，甚至可能会在现代战争中起到决定性作用。具体来说，雷达对抗就是怎么采取隐身和反隐身技术、欺骗和反欺骗技术、诱导和反诱导技术等等欺骗对方雷达或绕过对方欺骗。然而，如此重要的对抗在现有雷达体系中并没有很好的解决方法，只能靠复杂的技术手段不停的对抗和反对抗。最典型的对抗手段就是距离和速度欺骗。由于雷达识别物体靠的是回波时间来区分距离、多普勒效应来识别速度、还有反射信号强弱来区分物体大小，因此，敌方为干扰我方雷达可以发出小的飞行器，在该飞行器抵近我方雷达的时候，可以将该信号延时并做处理，然后再发送给我方雷达，飞行器本该离我方雷达只有几公里，但由于信号被延时和放大，我方雷达可能会误以为在百公里之外有一个轰炸机群，从而做出错误反应，造成严重后果。类似的欺骗不胜枚举，但至今没有良好的对抗手段。雷达对抗和欺骗是至今无解的世界难题，浙江大学湖州研究院提出的方案首次给出了可行的解决办法。就在同期，美军的航空和导弹实验室也提出了类似的方法。目前看来，雷达欺骗也只有用量子纠缠才能更好的解决，是真正必须量子纠缠发挥作用的重大应用方向。
理论方法
量子安全激光雷达系统与传统激光雷达系统的主要区别在于其信号源。在传统激光雷达系统中，信号源通常是经典光源，如激光，其发出的光波具有确定的相位和幅度。然而，量子安全激光雷达系统使用的是基于量子力学原理的相干态光源。相干态是量子力学中描述光场的一种方式，它具有最小不确定性，并且可以通过量子态的调制来生成具有特定统计特性的光波。在量子力学中，海森堡不确定性原理指出，不能同时精确测量一个量子系统的两个共轭物理量，例如位置和动量。这一原理为量子安全激光雷达系统提供了安全保障的基础。当一个攻击者试图通过拦截并重放信号来欺骗系统时，由于无法同时精确复制信号的位置和动量象限，攻击者引入的信号总会包含额外的噪声，从而被系统检测到。论文中提出的量子安全激光雷达协议使用高斯调制相干态作为信号源。高斯调制相干态是通过在相位空间中对相干态的位置象限（X）和动量象限（P）进行高斯分布调制来生成的。这种调制可以通过级联一个幅度调制器（产生瑞利分布）和一个相位调制器（产生均匀分布）来实现。在该协议中，激光雷达发射器随机生成一系列高斯随机变量，这些变量代表要调制的相位空间坐标。然后，这些坐标被用来调制激光的相位和幅度，生成一系列高斯调制的相干态。这些量子态随后被发送到目标物体上。接收器使用同质检测技术来测量返回信号的特定象限。同质检测是一种测量光场量子态的技术，它允许我们同时测量光场的两个共轭变量。在本协议中，接收器随机选择测量X象限或P象限，并通过计算传输和接收数据的互相关性来确定目标的距离。为了检测可能的欺骗攻击，系统需要估计接收信号的噪声水平。如果噪声水平超过了预设的阈值，这可能表明存在攻击。在量子安全激光雷达系统中，由于攻击者无法完美复制信号，任何拦截重放攻击都会在信号中引入额外的噪声。通过比较接收信号的噪声水平和系统在无攻击情况下的噪声水平，系统可以检测到潜在的欺骗攻击。
实验方法
实验装置包括一个连续波激光器、两个幅度调制器、一个高斯调制器、两个望远镜和一个同质检测器。激光器产生的光被分为两路：一路用于生成高斯调制的信号脉冲，另一路作为同质检测器中的本振光。高斯调制器由一个幅度调制器和一个相位调制器组成，它们共同作用生成具有高斯分布的调制信号。信号脉冲通过一个望远镜发射到目标物体上，然后由另一个望远镜收集反射回来的信号。同质检测器由一个分束器和两个光电二极管组成，用于测量返回信号的特定象限。通过调整分束器和相位调制器，可以随机选择测量信号的X象限或P象限。在实验过程中，首先生成一系列高斯随机变量，这些变量代表要调制的相位空间坐标。然后，这些坐标被用来调制激光的相位和幅度，生成一系列高斯调制的相干态。这些量子态被发送到目标物体上，然后由接收器测量反射回来的信号。为了模拟欺骗攻击，实验中还包括了一个模拟攻击者的部分。攻击者试图通过拦截并重放信号来欺骗系统。通过比较系统在有无攻击情况下的性能，可以验证系统对欺骗攻击的检测能力。实验数据包括传输和接收信号的互相关性测量结果，以及接收信号的噪声水平估计。通过分析这些数据，可以评估系统的目标测距准确性和对欺骗攻击的检测能力。实验结果表明，该量子安全激光雷达系统能够在低虚警率下，以高概率检测到拦截重放攻击。此外，通过调整系统的参数，如信号的调制深度和接收器的检测阈值，可以进一步提高系统的性能。
图1：(a)高斯调制量子安全激光雷达（Gaussian modulation quantum-secured LiDAR，GMQSL）；(b)红外欺骗攻击示意图。
图3：SNRp与SNRa的比值是关于增益γ的函数。
图4：目标测距的成功概率P_r^T是关于信噪比的函数。
图5：目标测距的成功概率P_r^T与信噪比=−15dB下的相位漂移的关系。
图6：在δ=0、信噪比=−15dB、不同长度L下，目标测距的接收器工作特性曲线。
图7：当M=10^6和γ=0.2时，在不同总信道传输效率η下进行安全检查的接收器工作特性曲线。
图8：当η=10^−4和γ=0.2时，在不同询问信号M下的安全检查接收器工作特性曲线。
图9：当M=10^6和η=10^−4时，在不同增益γ下进行安全检查的接收器工作特性曲线。
图10：当η=10^−4时，在不同增益γ和询问信号数M下进行安全检查的接收器工作特性曲线。
主要研究人员
周良将，中国科学院空天信息创新研究院研究员、博导，研究领域包括智能信号处理技术、定量化雷达系统及应用、芯片雷达系统设计及应用。先后主持承担科技部国家重点研发项目和课题、国家自然科学基金委员会重点基金、部委和地方科技项目二十余项，在国内外学术期刊发表学术论文30余篇，参与出版专著1部，申请软件著作权1项、发明和实用新型专利25项。赵义博，北京中科国光量子科技有限公司董事长、浙江大学湖州研究院、浙江大学控制科学与工程学院项目带头人、中国科学技术大学本硕博、正高级工程师。中国首批在量子通信产业化领域进行探索的科学家。曾在连续变量量子密钥分发协议、差分相位分发协议、BB84协议的安全性证明方面做出了系列工作，曾提出并实现了基于SMZI的高稳定相位调制量子密钥分发方案，非常适合工程化应用，曾实现了全球首个诱骗态量子抗欺骗雷达；曾开发出全国首个真空噪声量子随机数芯片、首个量子编解码与调制解调芯片。截至目前，其仅在国光量子及下属公司申请并获批的发明专利数量达65项之多。