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Science and Technology News
文章提要
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量子传感器正处于早期发展阶段，但必然会极大地提高成像、探测和导航能力；
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量子技术能帮助克服一些主要问题，如在信号中断情况下，精准定位或探测低可观测平台。
量子传感器技术的开发正不断取得进步，如果完全实现，它可能使军事能力发生变革。
靠利用量子力学的独特特性，例如叠加和纠缠，量子传感器能够在全球导航卫星服务(global navigation satellite services，GNSS)不可用或对抗环境下实现准确的导航，并能明显改善对低可观测平台和复杂环境中物体的探测能力。
尽管量子传感尚处于发展的早期阶段，但在具有潜在军事应用价值的量子技术中，它被认为是最先进的领域。
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GNSS替代方案
量子使能型(quantum-enabled)传感器可用作为定位、导航和授时(positioning，navigation & timing，PNT)系统的替代形式，使军队能克服传统约束、在GNSS拒止或对抗环境下作战。量子增强(quantum-enhanced)陀螺仪和加速度计是两种能极大改善PNT精度并保障其复原力(resilience)的传感器。
英国国防部(Ministry of Defence，MoD)正与伦敦帝国理工学院(Imperial College London)一同开发一种量子增强加速度计，以改善导航性能，减小对干扰和破坏的敏感性。该系统于2023年在皇家海军的“帕特里克·布莱克”号(XV Parick Blackett)试验船上进行了测试。
图1. 英国海军XV Parick Blackett试验船
(270 t)
（图片来自网络）
根据皇家海军的说法，量子加速度计原型能通过测量加速度来确定一个物体随时间的速度。通过将这一信息与物体的旋转测量值和初始位置相结合，就能不依赖GNSS而计算出当前位置。
虽然也有其它传感器和独立的无卫星导航系统，但它们都会随时间漂移。然而，伦敦帝国理工学院解释道，量子加速度原型能消除这种传感器随时间的漂移，大大提高在长时间尺度上的精度。
伦敦帝国理工学院说，原型通过超冷原子来实现高精度测量。当冷却到极低温度时，原子表现出“量子”特性，表现得像物质和波。由于原子通过传感器运动，它们的波特性受到载体加速度的影响。
皇家海军指出，由于采用“光学尺”(“optical ruler”)，这种加速度计能非常精确地测出这些细微变化，从而提供高精度的PNT，并支持在GNSS拒止环境下的作战。
图2. 由伦敦帝国理工学院与MoD联合开发的量子加速度计能实现GNSS拒止环境下的导航，并提高抗干扰能力。
（图片来源：Imperial College London，2039665）
根据技术记者Paul Marks于2014年在《新科学家》(New Scientist)期刊上发表的一份题为“当GPS失灵时，量子定位系统会登场”(“Quantum Positioning System Steps in When GPS Fails”)的报告，量子在PNT上的应用能使水下潜艇的自身定位精度比现在提高1000倍。
除加速度计之外，用量子力学设计重力仪和磁力仪也能提高PNT精度，并能在GNSS拒止环境下辅助导航。这些传感器测量和识别地球重力场或磁力场的异常变化，以作为方位地标。
借助量子力学，系统能提供重力场或磁场的实时测量值，实现对动态导航参数的调节，如航向、姿态或随环境变化的航路等。这将实现更精确和快速响应的导航，特别是在GNSS拒止地区，能够增强抗干扰和抗欺骗能力。
02
观测不可能“看到”的东西
除增强型导航之外，量子传感器还能用于提高成像的精度和灵敏性、探测低可观测水下和空中平台。这些传感器可安装在近地轨道(low Earth orbit，LEO)卫星或飞机、地面和海上平台上，包括UUV和USV上。
量子重力仪和磁力仪具有特殊的应用前景，因为这些传感器能探测到由诸如隧道等人造地下或水下结构所引起的环境下重力场或磁场的细微变化或扰动。特别是量子重力仪，被认为是能提供地球地表/水面和地面/水面以下厘米级的精度。
从军事角度看，量子磁力仪尤其适合于水下情报、监视和侦察(ISR)，研究人员建议该类系统可用于潜艇探测和水雷识别。用这些传感器探测到潜艇的距离可能达6 km，如采用改进后的噪声抑制技术，探测距离还会更大。
然而，量子磁力仪非常灵敏，这意味着它们易受干扰。因此，背景噪声甚至地球磁场的微小波动及太阳风暴等诱因，都会影响到它的效能。
位于布拉格(Prague)的捷克技术大学(Czech Technical University)的量子安全研究学者Michal Krelina在2021年11月的《EPJ量子技术》(EPJ Quantum Technology)期刊上发表的“量子技术的军事应用”(“Quantum technology for military applications”)一文中提到，高分辨率量子磁力和重力传感器的进一步军事应用包括：能从LEO上探测到伪装车辆、飞机、搜索舰队或单独的舰船。然而，一位不愿透露姓名的量子传感教授对此提出质疑。他们认为，量子增强雷达，特别是机载平台上的量子增强雷达更实用。
除了水下和空中目标，Krelina建议这些高分辨率传感器也能用于探测诸如地下燃料库、研究设施以及导弹发射井等地下结构设施，或掩埋的爆炸物。
量子传感中另一个感兴趣的军事领域是量子成像，它能提供更好的物体分辨率和在挑战性环境中观测的能力。这类系统是SPAD(Single Photon Avalanche Detectors，单光子雪崩探测器)，这是一种与脉冲式照明源相联的非常灵敏的单光子探测器。Krelina补充道，将SPAD集成为一个阵后，它就能方便地探测到视线外的物体，如藏在角落中的物体。
兰德公司(RAND Corporation)物理学家Edward Parker在他2021年10月的一份报告“量子技术的商业和军事应用及其时间表”(“Commercial and military applications and timelines for quantum technology”)中写道：量子传感的另一个应用是“鬼”成像(ghost imaging)技术，利用光的独特特性和非常微弱的照明光束来探测远程的物体(译注：“鬼”成像又称双光子成像(two-photon imaging)或关联成像(correlated imaging)，是一种利用双光子复合探测恢复待测物体空间信息的新型成像技术。可让一台高分辨率照相机对一个它本身并不能看到的物体成像，方法是使用2个传感器，一个对着光源，另一个对着这一物体，利用光子纠缠的特性进行成像。这些光束不但非常难以探测且适合隐蔽作战，也能实现在最低光照条件下的成像。它们能穿透主要大气遮蔽物，如浓烟或云。
简单地说，它是一种无需直接拍摄物体而创建物体图像的技术。它是利用光模式之间的相关性来重构图像，类似于我们可根据阴影和声音来了解屋中的某人一样。
Parker说，美国陆军研究实验室(US Army Research Laboratory)的研究人员已建议将“鬼”成像用于地面和UAV的远距离ISR。
（a）
（b）
图3 “鬼”成像示意图（图片来自网网络）
量子雷达是另一项有前途的技术，理论上，它的抗噪声和抗干扰能力更强，并且不会被电子战(electronic warfare，EW)手段发现。然而，它的高成本引起了人们对将其作为主要监视系统的实用性的担心。
量子雷达利用量子纠缠特性实现其功能，粒子对之间以这种方式互相关：一个粒子能立即影响到另一个粒子的状态，而与距离无关。靠纠缠雷达光子，量子雷达能比传统雷达系统获得更高的灵敏度和分辨率。
奥地利科技研究所(Institute of Science and Technology Austria，ISTA)的研究人员试验了这种方法，指出它可在如此低的功率水平下工作，以致该系统能有效隐藏在背景噪声中。
这使得量子雷达对低信号特征至关重要的应用场景极具吸引力。靠利用纠缠和相干性，量子雷达探测低可观测飞机时比传统雷达更加有效。
传统雷达系统同样能从量子力学中获益。例如，将一个量子时钟集成到系统中就能提供高质量的振荡输入，减小噪声，并支持对杂波环境中小目标的探测。研究人员告诉《简氏》（Janes），这项技术非常有前景。
03
EM频谱中的探测
除了成像和导航之外，量子传感器还能用于改善射频(radio frequency，RF)传感，提高灵敏度、精确性和可靠性。
简单地说，量子RF传感就是运用量子物理机理，实现对RF信号的精确测量。它利用对RF波敏感的微小粒子——原子或离子工作。当这些粒子与电波相互作用时，它们以一种可测的方式发生变化，因此可实现对信号的高精度探测和测量。
美国陆军的研究人员正在通过构建一套“里德堡”(Rydberg)量子传感器来探索这种方法，它能分析0~20 GHz频段内的RF频谱，探测调幅和调频无线电信号、蓝牙信号、Wi-Fi信号和其它RF通信协议信号。
图4. 美国陆军的科学家创造了一种量子接收机，它利用高度受激、超灵敏的Rydberg原子来探测通信信号，而这些传感器自身几乎不会被探测到。
（图片来源：United States Army，2045163）
陆军研究实验室2021年2月的一份报告中赞誉，这种Rydberg频谱分析仪能够“超越传统电子学在灵敏度、带宽和频率范围方面的基本限制”。
美国陆军作战能力发展司令部研究实验室(US Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory)的一名研究人员补充说，这项开发标志着“已真正迈出了重要的一步，证明了量子传感器能为我们在日益复杂的电磁战斗空间中作战的士兵提供一份新的优势能力”。
这项研究验证了，量子RF传感能使军方在很宽的频谱范围内准确探测电磁辐射，同时保持相对低的信号特征，具有很好的应用前景。
原文评述
量子技术能使军事发生变革，包括通信、传感和计算。传感是这些技术中最成熟的能力之一，特别是提高导航能力。然而，目前还存在许多需克服的障碍，包括环境敏感性、噪声、成本以及用于现有平台等问题。构建一个鲁棒(robust)的量子生态系统对于发现这项技术的最佳应用案例和实际可行性是十分重要的。
英国正试图推动量子技术的开发，特别是在导航和计算机领域。
鼓励其发展的是位于伯明翰大学(University of Birmingham)的英国量子技术中心(Quantum Technology Hub Sensors and Timing)，该中心聚焦于真实世界应用的开发。大多数量子技术正在包括MoD的全国范围内开发，并向中心或从中心向外辐射。目前正在开展重力和磁力传感器以及量子增强传统雷达等方面的工作。
本文由Whitehead编译自
Olivia Savage. Problem solves：Quantum sensor tech poised to transform military capabilities. Janes Defence and intelligence Review. August 2024
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