光检测和测距 (LiDAR) 系统凭借出色的角度和深度分辨率，能够提供目标的高分辨率和高精度距离信息，在侦察、自动驾驶和机器人等多个领域，已成为不可或缺的关键传感器。一般来说，传统的LiDAR系统的探测原理是发射一束信号，该信号经物体反射后被雷达接收器捕获。通过计算发射与接收之间的时间差来确定物体的距离，利用多普勒效应或距离变化来测量物体的速度，并根据回波强度评估物体的大小。
但在实际应用中，基于传统信号处理方式的LiDAR面临着一个具有挑战性的问题——干扰和背景噪声的影响。这些外部因素可能导致接收器受到误导，比如来自环境光源或故意设置的欺诈性信号等虚假信息源的攻击。攻击者可以通过延迟反射信号使雷达误判距离；提前发送伪造信号以混淆真实位置感知；甚至增强特定方向上的反射强度让雷达错误估计目标尺寸
为了应对这些问题，有研究团队曾尝试采用包括码分多址(CDMA)技术、伪随机或真随机位调制方法以及激光混沌策略在内的多种基于互相关测量的创新技术，减少外界干扰对LiDAR性能的影响并提高安全性。此外，也有其他防护措施被开发出来用以抵御针对LiDAR系统的欺骗式攻击。
但这些方案大多只在抑制常规噪声方面表现出色，却难以应对采用拦截重发(IR)这种高级形式的欺骗攻击。
▍提出全新理论体系，利用量子纠缠解决雷达干扰与噪声影响
为了解决雷达欺骗这一难题，来自浙江大学湖州研究院的赵义博研究员联合浙江大学控制科学与工程学院、中国科学院空天信息创新研究院等多家机构进行了深入研究，并取得了一项重大应用创新成果——量子纠缠可用于雷达对抗，简称：量子对抗。
得益于第二次量子革命的推进，目标探测与成像领域借助量子力学的力量实现了突破性进展。特别是，纠缠光子的应用极大地提升了物体检测效率。在量子照明及量子安全成像协议中，通过非经典相关性测量，纠缠光子对能够有效提高信噪比并增强抗干扰性能。但与此同时，高效产生和检测纠缠光子也仍然面临技术障碍。
面对这一挑战，此前曾有研究者提出基于单光子的量子安全成像与激光雷达(LiDAR)协议，来确保整个检测流程的绝对安全。然而，在实际应用过程中往往使用的是经过衰减处理后的激光源，其中包含多个光子成分，这可能会降低系统的整体安全性。
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针对这一问题，该研究团队探索了连续变量量子体系中的相干态，并依据海森堡不确定性原理，设计出了一种实用化的高斯调制量子安全LiDAR（GMQSL）协议。该协议采用高斯调制相干态来进行距离测定以及欺骗攻击行为识别。通过利用信号的高斯特性，LiDAR系统可以通过互关分析准确地确定目标位置；同时，因为欺骗攻击会在传输过程中引入额外的噪声，所以通过对LiDAR 系统过量噪声水平进行估计，还可以发现潜在的欺骗企图。
此外，研究人员还开发了一个目标测距和安全检查模型，用于评估目标距离测量精度及其安全性，并通过数值模拟评估了LiDAR 系统的接收机操作特性 (ROC)。结果表明，该方法能够在保持较低误报率的前提下，以较高概率侦测到拦截或近期发生的欺骗活动。更重要的是，这项技术可以直接应用于现有设备之上，在实际应用中具有良好可行性和实用性。
这项突破性的研究已以“Quantum-secured LiDAR with Gaussian modulated coherent states”为题发表在国际知名期刊《Scientific Reports》上。论文由浙江大学湖州研究院项目负责人、浙江大学控制学院兼聘教师赵义博担任通讯作者。
在实际应用中，现有的目标探测欺骗技术通常采用“测量和准备”策略。在这种策略中，目标或欺骗者拦截并测量由LiDAR发射器传输的信号，然后根据测量结果包装再现包含虚假信息的信号，并将这些信息发送给LiDAR接收器。
量子力学可为那些试图通过单次测量来传递信息的欺骗行为施加根本性的限制。这意味着，当LiDAR发射器随机选取非正交的量子态时，任何欺骗者都只能从测量结果中提取到经典的信息，以此来推测量子态。鉴于高斯分布信号具有卓越的自相关特性，它成为了测距应用的理想选择。此外，相干态能够轻松地通过激光器产生，且已有研究证明，在所有可行的高斯测量中，简单的零差检测几乎能达到最优效果。基于此，研究团队设计了一个实用的量子安全激光雷达协议——GMQSL协议。
GMQSL协议核心在于利用量子态的不可克隆定理和测量不确定性原理，为LiDAR系统构建了一种能够有效抵御欺骗攻击的安全机制。该协议通过精心设计的随机数生成、量子信号准备与目标照射、回波检测与数据采集、测距与数据处理以及安全检查等步骤，实现了高效且安全的测距功能。
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在工作过程中，GMQSL协议首先生成高斯随机变量，用于量子信号的调制和测量选择。随后，发射器根据这些变量准备量子态，并通过望远镜传输到目标区域。接收器则负责收集回波信号，并随机选择测量正交分量，以获取准确的测距数据。通过计算移动互相关和比较传输序列与测量序列之间的相似性，协议能够精确测定目标距离。
值得一提的是，GMQSL协议还具备出色的安全性能。它利用高斯调制与零差检测技术，使得任何试图通过单次测量来复制或篡改信号的欺骗者都只能获取到有限的经典信息，而无法完美再现原始量子态，并通过估计接收信号的过剩噪声来检测潜在的欺骗攻击。
此外，协议还具备相位漂移补偿与稳健测距的能力，以及完善的安全检查机制。通过构建新序列并比较互相关峰值的绝对值来解决相位漂移问题，协议能够实时检测并应对潜在的欺骗攻击，确保激光雷达系统在复杂环境下进行稳健测距。
经过严格的理论计算，研究团队充分证明了GMQSL协议的可行性，并给出了明确的判定基准。具体来说，我方制备一对纠缠光，将其中一束发送出去，另一束保留。发送出去的光被待测物体反射后被我方雷达接收，我方通过测量是否与保留的光继续纠缠，就能判断收到的信号是我方雷达信号还是敌方诱骗信号。
在实际操作层面，雷达仅需发射处于相干状态的光束，这一要求普通激光器发射的光即可轻松满足，从而满足纠缠态的生成条件。至于接收端，仅需通过评估噪声水平这一简单操作，便可有效执行纠缠状态的验证，确保信号识别的准确性。
GMQSL协议的提出，不仅为雷达对抗与防欺骗提供了切实可行的解决方案，更为雷达技术的未来发展注入了强大的新动力。面向未来，研究团队将在现有理论工作基础上，积极推进工程系统实现，全面开展基于量子纠缠的雷达对抗、雷达抗欺骗和抗干扰功能研究，从底层芯片和器件入手，攻关技术难题，为量子对抗应用开辟新途径。
值得关注的是，在利用量子纠缠技术破解雷达欺骗这一前沿探索中，美国方面同样表现出浓厚兴趣并积极开展行动。此前美国相关研究团队已提出了利用量子噪声揭露经典雷达欺骗行为的方法。这表明，在全球范围内，量子技术在提升雷达安全性方面的潜力正受到越来越多的关注和探索。
参考文章：
https://www.nature.com/articles/s41598-024-72804-2.pdfIEEE Spectrum
《科技纵览》
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