上海交通大學(xué)國家戰(zhàn)略研究院特約研究員王小偉編譯

美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)用于測量加速度、角速度、重力和磁場的新型傳感器架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)不依賴于全球定位系統(tǒng)（GPS）的導(dǎo)航。目前在原子物理學(xué)、量子光學(xué)和材料合成方面的研究，正推動對激光冷卻原子和半導(dǎo)體色心的基礎(chǔ)認(rèn)知。這為基于量子疊加和糾纏原理運(yùn)行的傳感器架構(gòu)的設(shè)計與制造奠定了基礎(chǔ)。這些傳感器技術(shù)的成熟，將助力提升海軍在計時、通信、導(dǎo)航、監(jiān)視和偵察等方面的先進(jìn)能力。

 探秘量子傳感器技術(shù)：開啟軍事與科技新變革

在科技飛速發(fā)展的時代，量子傳感器技術(shù)如同一顆璀璨的科技新星，正逐漸嶄露頭角。尤其是在軍事領(lǐng)域，它為解決諸多傳統(tǒng)難題帶來了新的曙光。美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的一系列研究項(xiàng)目，正不斷推動量子傳感器技術(shù)向前發(fā)展，其潛在應(yīng)用價值令人矚目。

1. 量子傳感器技術(shù)的基本原理

量子傳感器技術(shù)是基于量子力學(xué)中的量子疊加與量子糾纏原理而發(fā)展起來的。量子疊加原理使得量子系統(tǒng)能夠同時處于多個狀態(tài)的疊加態(tài)，這意味著量子傳感器可以同時對多個物理量進(jìn)行測量，極大地提高了測量的效率和精度。例如，在測量磁場時，基于量子疊加的傳感器可以同時感知多個方向的磁場強(qiáng)度，而不像傳統(tǒng)傳感器那樣只能逐個方向進(jìn)行測量。

量子糾纏則是一種更為神奇的現(xiàn)象，兩個或多個量子粒子可以處于一種相互關(guān)聯(lián)的狀態(tài)，無論它們之間的距離有多遠(yuǎn)，對其中一個粒子的測量會瞬間影響到另一個粒子的狀態(tài)。在量子傳感器中，利用量子糾纏可以實(shí)現(xiàn)對物理量的超精確測量。通過糾纏的量子粒子對，一個粒子受到外界物理量的影響時，另一個粒子的狀態(tài)也會相應(yīng)改變，這種改變可以被精確測量，從而獲取到外界物理量的信息。

美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室正在研究的原子物理學(xué)、量子光學(xué)以及材料合成項(xiàng)目，為量子傳感器技術(shù)奠定了堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過對激光冷卻原子和半導(dǎo)體色心形成的深入研究，科學(xué)家們逐漸掌握了如何利用這些微觀粒子的量子特性構(gòu)建高性能的傳感器架構(gòu)。激光冷卻原子可以使原子的熱運(yùn)動大大降低，從而提高傳感器的測量精度；半導(dǎo)體色心則可以作為量子比特，實(shí)現(xiàn)量子信息的存儲和處理，為量子傳感器的功能實(shí)現(xiàn)提供關(guān)鍵支持。

2. 量子傳感器技術(shù)的特點(diǎn)

高精度測量

量子傳感器技術(shù)在測量物理量時展現(xiàn)出了極高的精度。在定位方面，星基量子導(dǎo)航可以突破傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度上限，提供小于1厘米的定位精度。在導(dǎo)航領(lǐng)域，量子慣性導(dǎo)航可以實(shí)現(xiàn)24小時1米以內(nèi)的導(dǎo)航位置偏移誤差。這種高精度的測量能力使得量子傳感器在軍事應(yīng)用中具有巨大的優(yōu)勢，例如為精確制導(dǎo)武器提供導(dǎo)航，能夠大大提高武器打擊精度，增強(qiáng)作戰(zhàn)效能。

強(qiáng)大的抗干擾能力

量子傳感器不依賴外部信號，如全球定位系統(tǒng)（GPS）信號等。這使得它在復(fù)雜電磁環(huán)境或戰(zhàn)爭等特殊情況下，仍能穩(wěn)定地提供定位、導(dǎo)航和授時信息。在電子戰(zhàn)中，當(dāng)敵方對GPS信號進(jìn)行干擾或屏蔽時，依賴GPS的傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)將無法正常工作，而量子傳感器則可以不受影響，繼續(xù)為作戰(zhàn)部隊提供準(zhǔn)確的位置和導(dǎo)航信息，保障作戰(zhàn)行動的順利進(jìn)行。

多物理量感知與綜合分析

量子傳感器能夠同時感知多種物理量，如磁場、重力、加速度、角速度等。通過對這些多維度信息的綜合分析，可以確定位置和導(dǎo)航，相比傳統(tǒng)單一依賴某種信號或測量方式的定位導(dǎo)航方法，更加全面和準(zhǔn)確。在水下導(dǎo)航中，潛艇可以利用量子重力儀和量子磁力計等多種量子傳感器，同時感知重力場和磁場的變化，從而精確確定自身的位置和航向，即使在沒有衛(wèi)星信號的深海環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航。

良好的自主能力與隱蔽性

量子傳感器具有很強(qiáng)的自主能力，可以通過自身對物理量的測量和計算來確定位置、導(dǎo)航和授時，無需依賴外部的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)或地面基站等基礎(chǔ)設(shè)施。這使得它在衛(wèi)星信號無法覆蓋的區(qū)域，如地下、水下、深山、太空深處等，仍能正常工作。量子傳感器的信號不向外發(fā)射，不易被敵方探測和截獲，具有較好的隱蔽性，有利于軍事行動的保密性和突然性。在特種作戰(zhàn)中，士兵攜帶的量子定位設(shè)備可以在不暴露自身位置的情況下，精確確定自己的位置，為作戰(zhàn)提供有力支持。

3. 量子傳感器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

軍事領(lǐng)域

導(dǎo)航方面

精確制導(dǎo)武器導(dǎo)航。為導(dǎo)彈、無人機(jī)等精確制導(dǎo)武器提供精確導(dǎo)航，使其能更準(zhǔn)確地命中目標(biāo)。美國正在研發(fā)的基于量子慣性導(dǎo)航技術(shù)的導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)，利用量子傳感器的高精度測量能力，能夠?qū)崟r精確地計算導(dǎo)彈的飛行軌跡和姿態(tài)，大大提高導(dǎo)彈打擊精度，增強(qiáng)作戰(zhàn)效能。

水下導(dǎo)航。潛艇在水下航行時無法接收GPS信號，量子傳感器為其提供了可靠的導(dǎo)航解決方案。通過量子重力儀和量子磁力計等設(shè)備，潛艇可以精確測量自身的運(yùn)動狀態(tài)和周圍環(huán)境的物理量變化，實(shí)時確定潛艇的位置和航向，保障潛艇在水下的安全航行和作戰(zhàn)行動。

航空航天導(dǎo)航。在復(fù)雜電磁環(huán)境或太空環(huán)境中，量子傳感器能不受干擾地工作，為飛機(jī)、衛(wèi)星、航天器等提供高精度導(dǎo)航。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室正在研究的用于飛機(jī)導(dǎo)航的量子傳感器技術(shù)，有望在未來為飛機(jī)在各種復(fù)雜環(huán)境下的飛行提供更可靠的導(dǎo)航保障，提高飛行安全和作戰(zhàn)能力。

定位方面

部隊作戰(zhàn)定位。在戰(zhàn)場上，無論是山區(qū)、叢林、城市等復(fù)雜地形，還是受到電磁干擾的環(huán)境，量子傳感器都能幫助作戰(zhàn)部隊精確確定自身位置。英國正在研發(fā)的量子定位系統(tǒng)（QPS）有望應(yīng)用于陸軍作戰(zhàn)定位，士兵可以通過攜帶的量子定位設(shè)備，隨時獲取準(zhǔn)確的位置信息，便于指揮作戰(zhàn)和協(xié)同行動，提高作戰(zhàn)效率。

目標(biāo)定位。用于對敵方目標(biāo)進(jìn)行定位，通過探測目標(biāo)產(chǎn)生的微弱物理場變化，如磁場、重力場等，確定目標(biāo)位置。利用量子磁力儀可以探測隱藏在地下或偽裝的軍事目標(biāo)，為火力打擊提供準(zhǔn)確的目標(biāo)信息，提高作戰(zhàn)的針對性和有效性。

艦艇定位。幫助艦艇在海上精確確定自身位置，提高艦艇的航行安全和作戰(zhàn)能力。在沒有衛(wèi)星導(dǎo)航信號或信號微弱的區(qū)域，如極地海域等，量子傳感器的定位作用更為重要。艦艇可以利用量子傳感器實(shí)時監(jiān)測自身的位置變化，及時調(diào)整航線，避免碰撞和危險，同時在作戰(zhàn)中能夠更準(zhǔn)確地執(zhí)行任務(wù)。

授時方面

通信系統(tǒng)同步。為軍事通信系統(tǒng)提供高精度時間同步信號，確保通信網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的時間一致。在量子衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，高精度授時是保障通信準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵。通過量子傳感器提供的精確時間同步，通信雙方可以準(zhǔn)確地發(fā)送和接收信息，避免信息的丟失和錯誤，提高通信質(zhì)量。

雷達(dá)系統(tǒng)協(xié)同。使雷達(dá)系統(tǒng)的各個部分在時間上精確同步，提高雷達(dá)的探測精度和目標(biāo)跟蹤能力。在分布式雷達(dá)系統(tǒng)中，利用量子傳感器進(jìn)行時間同步，可以使多個雷達(dá)節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的更精確探測和跟蹤，增強(qiáng)雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能。

武器裝備協(xié)同作戰(zhàn)。為不同武器裝備之間的協(xié)同作戰(zhàn)提供精確時間基準(zhǔn)，使各武器裝備能在準(zhǔn)確的時間點(diǎn)上完成各自任務(wù)，發(fā)揮最大作戰(zhàn)效能。在多軍種聯(lián)合作戰(zhàn)中，精確授時可以確保陸軍、海軍、空軍等各軍種的武器裝備緊密配合，實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同作戰(zhàn)，提高作戰(zhàn)的整體效果。

民用領(lǐng)域

定位導(dǎo)航。在民用領(lǐng)域，量子傳感器技術(shù)也有著良好的應(yīng)用前景。在自動駕駛領(lǐng)域，量子導(dǎo)航可以為車輛提供更精準(zhǔn)的定位和導(dǎo)航信息，提高自動駕駛的安全性和可靠性。量子傳感器能夠精確測量車輛的位置、速度和姿態(tài)變化，為自動駕駛系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，使車輛能夠更準(zhǔn)確地行駛在道路上，避免交通事故的發(fā)生。

環(huán)境監(jiān)測。利用量子傳感器對物理量的高靈敏度測量能力，可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的精確監(jiān)測。在空氣質(zhì)量監(jiān)測中，量子傳感器可以檢測空氣中微小顆粒的濃度和成分變化；在水質(zhì)監(jiān)測中，能夠精確測量水中各種物質(zhì)的含量和物理性質(zhì)，為環(huán)境保護(hù)和生態(tài)監(jiān)測提供重要的數(shù)據(jù)支持。

醫(yī)療領(lǐng)域。在醫(yī)療領(lǐng)域，量子傳感器可以用于疾病的早期診斷和治療監(jiān)測。通過檢測人體生物磁場、電場等物理量的微弱變化，量子傳感器可以發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)部的病變跡象，實(shí)現(xiàn)疾病的早期預(yù)警。在治療過程中，量子傳感器可以實(shí)時監(jiān)測治療效果，為醫(yī)生調(diào)整治療方案提供依據(jù)。

4. 量子傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢

技術(shù)層面

更高的集成度。未來量子傳感器將朝著更高集成度的方向發(fā)展，將更多的量子功能模塊集成在一個芯片或設(shè)備中。這將不僅減小傳感器的體積和重量，還能提高其性能和穩(wěn)定性。通過集成量子陀螺儀、量子加速度計和量子磁力計等多種傳感器，實(shí)現(xiàn)對多種物理量的同時測量和綜合分析，為用戶提供更全面、準(zhǔn)確的信息。

進(jìn)一步提升精度。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，量子傳感器的測量精度將進(jìn)一步提高。通過優(yōu)化量子態(tài)的操控和測量方法，減少環(huán)境噪聲的影響，有望實(shí)現(xiàn)更高精度的物理量測量。在定位導(dǎo)航領(lǐng)域，精度的提升將使量子傳感器在更廣泛的應(yīng)用場景中發(fā)揮作用，為用戶提供更精確的位置和導(dǎo)航信息。

與其他技術(shù)融合。量子傳感器技術(shù)將與其他新興技術(shù)如人工智能、大數(shù)據(jù)等深度融合。人工智能可以對量子傳感器產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理和分析，提取有價值的信息；大數(shù)據(jù)技術(shù)則可以為量子傳感器的性能優(yōu)化和應(yīng)用拓展提供數(shù)據(jù)支持。通過融合這些技術(shù)，量子傳感器將實(shí)現(xiàn)更智能化的操作和應(yīng)用，為用戶提供更便捷、高效的服務(wù)。

應(yīng)用層面

拓展軍事應(yīng)用場景。在軍事領(lǐng)域，量子傳感器技術(shù)將不斷拓展應(yīng)用場景。除了現(xiàn)有的導(dǎo)航、定位和授時應(yīng)用外，還將在情報收集、電子戰(zhàn)、網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。利用量子傳感器的高靈敏度和抗干擾能力，可以探測敵方的電子設(shè)備和通信信號，為情報收集提供更準(zhǔn)確的信息；在電子戰(zhàn)中，量子傳感器可以用于監(jiān)測和干擾敵方的電子系統(tǒng)，提高己方的電子戰(zhàn)能力。

推動民用領(lǐng)域發(fā)展。在民用領(lǐng)域，量子傳感器技術(shù)將推動多個行業(yè)的發(fā)展。在智能交通領(lǐng)域，量子導(dǎo)航和定位技術(shù)將為自動駕駛、智能物流等提供更可靠的支持；在能源領(lǐng)域，量子傳感器可以用于石油、天然氣等資源的勘探和開采，提高資源開采效率；在金融領(lǐng)域，量子傳感器的高精度計時功能可以為金融交易提供更準(zhǔn)確的時間戳，保障交易的安全性和公正性。

產(chǎn)業(yè)層面

產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大。隨著量子傳感器技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)模將不斷擴(kuò)大。從量子傳感器的研發(fā)、生產(chǎn)到應(yīng)用，將形成一個完整的產(chǎn)業(yè)鏈。在研發(fā)環(huán)節(jié)，將吸引更多的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)投入資源，推動技術(shù)創(chuàng)新；在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將建立起規(guī)模化的生產(chǎn)基地，降低生產(chǎn)成本；在應(yīng)用環(huán)節(jié)，將帶動眾多行業(yè)的發(fā)展，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)價值。

國際合作加強(qiáng)。量子傳感器技術(shù)是一個全球性的研究領(lǐng)域，各國都在積極開展相關(guān)研究。未來，國際合作將不斷加強(qiáng)，各國科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)將在技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定、應(yīng)用推廣等方面進(jìn)行合作。通過國際合作，可以共享資源和技術(shù)成果，加速量子傳感器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，推動全球科技進(jìn)步。

5. 量子傳感器技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

技術(shù)層面

技術(shù)復(fù)雜性高。量子傳感器的設(shè)計、制造和操作涉及量子態(tài)操控、超低溫環(huán)境維持、噪聲控制等高端復(fù)雜技術(shù)。這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要大量的科研投入和專業(yè)人才支持，增加了開發(fā)成本與操作難度。要實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的精確操控，需要使用先進(jìn)的激光技術(shù)和微波技術(shù)，這對設(shè)備的精度和穩(wěn)定性要求極高；維持超低溫環(huán)境則需要復(fù)雜的制冷設(shè)備和技術(shù)，增加了設(shè)備的成本和體積。科研人員需要持續(xù)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新與突破，以降低技術(shù)難度和成本。

環(huán)境干擾問題。量子傳感器對環(huán)境因素如溫度、振動、電磁干擾等極為敏感。這些干擾會影響量子態(tài)的穩(wěn)定性和測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，有效屏蔽環(huán)境噪聲、提高抗干擾能力是亟待解決的問題。在軍事應(yīng)用中，作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜多變，溫度、振動和電磁干擾等因素都會對量子傳感器的性能產(chǎn)生影響。為了解決這一問題，需要研發(fā)先進(jìn)的屏蔽技術(shù)和抗干擾算法，提高量子傳感器在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)處理和分析困難。量子傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，且數(shù)據(jù)處理和分析需要深厚的數(shù)學(xué)和物理知識。如何高效地從海量數(shù)據(jù)中提取有用信息是一大挑戰(zhàn)。在定位導(dǎo)航應(yīng)用中，量子傳感器會實(shí)時產(chǎn)生大量的位置、速度和姿態(tài)數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的處理和分析，才能為用戶提供及時、準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。需要開發(fā)專門的數(shù)據(jù)處理算法和軟件，利用人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，提高數(shù)據(jù)處理效率和精度。

成本層面

制造成本高昂。由于技術(shù)要求高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜，量子傳感器的制造需要使用昂貴的材料、精密的設(shè)備以及高度專業(yè)的技術(shù)人員，導(dǎo)致其制造成本居高不下。這限制了大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，尤其是在民用領(lǐng)域的推廣。制造高精度的量子傳感器需要使用超純的材料和先進(jìn)的光刻技術(shù)，這些材料和設(shè)備的成本都非常高。要降低制造成本，需要優(yōu)化生產(chǎn)工藝，開發(fā)新型材料和制造技術(shù)，提高生產(chǎn)效率。

維護(hù)成本較高。量子傳感器的維護(hù)需要專業(yè)人員和特定的設(shè)備，且由于其對環(huán)境敏感，可能需要額外的措施來保證其正常運(yùn)行，增加了維護(hù)成本。在軍事應(yīng)用中，需要對量子傳感器進(jìn)行定期維護(hù)和校準(zhǔn)，以確保其性能的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。這需要專業(yè)的技術(shù)人員和專門的設(shè)備，增加了維護(hù)的難度和成本。需要開發(fā)智能化的維護(hù)系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動校準(zhǔn)等技術(shù)，降低維護(hù)成本和難度。

其他層面

標(biāo)準(zhǔn)化和驗(yàn)證體系缺失。目前量子傳感器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化程度低，缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)證流程。不同機(jī)構(gòu)和公司的產(chǎn)品可比性差，影響市場推廣與應(yīng)用。在量子傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)過程中，由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致產(chǎn)品的性能和質(zhì)量參差不齊，用戶在選擇和使用產(chǎn)品時面臨困難。需要建立統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)證流程，規(guī)范產(chǎn)品的設(shè)計、制造和測試，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

市場接受度有限。盡管量子傳感器有顯著優(yōu)勢，但作為新技術(shù)，市場對其了解和信任需要過程。潛在用戶的教育和推廣工作有待加強(qiáng)。在民用領(lǐng)域，許多用戶對量子傳感器技術(shù)還比較陌生，對其性能和應(yīng)用價值缺乏了解。需要加強(qiáng)市場推廣和宣傳，提高用戶對量子傳感器技術(shù)的認(rèn)知度和接受度，促進(jìn)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

量子傳感器技術(shù)作為一項(xiàng)具有巨大潛力的新興技術(shù)，在軍事和民用領(lǐng)域都展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。盡管它面臨著諸多挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，以及產(chǎn)業(yè)的逐步發(fā)展，相信量子傳感器技術(shù)將在未來發(fā)揮更加重要的作用，為人類的進(jìn)步和發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。我們期待著量子傳感器技術(shù)能夠早日實(shí)現(xiàn)突破，為我們的生活和世界帶來更多的驚喜和變革。