量子技术的航空应用：量子增强雷达和电子战

本文将探讨量子增强雷达和电子战的复杂难懂之处，阐明其复杂性及其潜在影响。

图1. 随着量子技术越来越成熟，未来可能应用于所有领域，但也可能带来潜在的破坏性影响。

量子技术是新兴领域，处在不断变化和发展中。量子技术在单个量子系统（如电子、离子和原子）的基础层面上利用量子特性，如叠加和纠缠。量子技术在军事应用方面具有巨大潜力，许多量子技术与航空和航天领域密切相关。早在量子技术成为媒体热词前，美国国防部高级研究计划局（DARPA）等机构就认识到了其潜力，并支持相关研究，这些研究现在已经取得了成果。

量子技术有三大主要应用：量子计算、量子通信以及量子传感和成像。量子计算虽然是最广为人知的，但预计在10至20年后甚至更遥远的时间，才能对民用、国防和安全领域产生重大影响。量子通信有望实现安全高效的数据传输，其价值和应用在2030年左右将更凸显。而量子传感和成像技术成熟度高、关注度广，并且在短期到中期内对军事领域产生深远影响，在一众技术中脱颖而出。

图2. 量子应用在整个电磁频谱上都具有巨大的前景

量子传感系统的平均技术就绪度(TRL)在3到9之间，这表明量子传感系统已经通过了基本的实验室测试，并取得了显著的结果。当前的研发工作集中在将技术从实验室环境过渡到实际应用中，同时减小这些技术系统的尺寸、重量、功率和成本(SWaP-C)。近年来，量子传感系统已经整合到舰船、飞机和无人机上，取得重大进展。集成光子学的进步，包括集成激光源、小型化真空室和原子/离子阱，正在加速量子技术从实验室过渡到实际应用场景，从而推进该技术的实际部署。

图3.北约组织已采纳“技术就绪度”（TRL）这一评价方法，按成熟度对技术进行分类

本文探究了几项在近中期最具影响力的量子技术，简要介绍了每项技术的运行方式，并分析其相对于现有技术的优势。本文还探讨了所述技术的具体军事应用，重点放在航空和航天领域，并推测这些突破性技术的预期部署时间。

1. 量子射频（RF）传感

（1）介绍：

量子技术为射频传感提供了几项富有潜力的支持技术。有两项量子技术值得引起注意，分别是基于里德伯原子的量子技术和基于氮空位中心的量子技术，这两种技术都适用于窄带和宽带射频扫描和接收。

基于里德伯原子（又称高激发原子）的量子技术指的是，使用精密调谐的激光，将原子的一个内层电子激发到高能级，使该原子变成高度敏感的电偶极子。这种高灵敏度使原子能够根据电子被激发到的不同能级，响应特定的射频信号。外部射频场的出现则会使电子失激（即电子从高能级返回到低能级），在这个过程中，电子能级跃迁释放的能量会以一个光子的形式发射出来，而这个光子可以被检测到；这就意味着可以通过检测光子来确定射频信号的存在和特性。这种检测方法的“典型带宽”（一种设备、系统或方法通常能够有效传输或处理的频率范围）约为10兆赫（MHz），这意味着单个传感器只能检测一个较窄频率范围的信号。为了实现宽带传感，可能需要使用多个基于里德伯原子的传感器组成矩阵，从而覆盖更宽的频率范围。

金刚石中的氮空位中心是金刚石晶格中的一种人工造成的缺陷，通过在金刚石晶格中引入一个氮原子，并创造一个相邻的晶格空位来实现。这种结构产生了一种独特的电子态，即有一个未配对的电子，这个电子的状态可以被操纵和读取。当施加静态梯度磁场时，氮空位中心对射频场变得敏感。射频场的变化影响氮空位中心的荧光共振，也就是说，射频信号发生改变时，氮空位中心发出的荧光也相应改变；这种荧光可以通过光学检测到，通过检测荧光即可获取外部射频信号的相关信息。与基于里德伯原子的技术不同，基于氮空位中心的技术在不同的磁场强度和梯度影响下，可以处理从数百兆赫到数吉赫兹（GHz）的带宽。

（2）优势：

以上这两种技术都对射频场高度敏感，对各种干扰有较强的抵抗能力，具有自校准能力，并且不论测量的是哪种波长的信号，传感器尺寸都很小，保持在微米级。这两种技术的频率调谐范围广（可以检测从数百千赫兹（kHz）到数百吉赫兹的信号），并且可以抵抗强电磁（EM）脉冲。与传统的射频电子设备相比，这两种技术通过光信号传输信息，从而能实现更快速的信号处理。两种技术都可以在室温下工作，但冷却环境可以提高其灵敏度。

此外，两种技术对所检测信号的相位变化都极其敏感，使用间距仅几厘米的传感器，甚至单个传感器内部即可预估到达角（AoA）。尽管具体的技术细节很复杂，但其实际应用十分重要：精确的到达角测量在电子战（EW）应用中至关重要。传统的到达角测量需要用到多个传感器，并且这些传感器要保持较大的间距才能获得足够的精度，而量子传感器可以在传感器间距仅数厘米的情况下测量到达角，并且精度误差在2°以内。量子传感器的小型化和高精度，创造了许多可能性，未来可以在卫星、小型无人机和许多其他平台上安装量子传感器。

（3）应用：

上述两种技术适用于宽带扫描，有利于信号情报（SIGINT）和通信情报（COMINT）领域的情报搜集。多个基于里德伯原子的传感器可以形成相敏阵列，每个传感器调到不同的频率来预估到达角。与此同时，单个基于氮空位中心技术的传感器即可预估到达角，不过测量更高的频率需要对氮空位中心施加磁感应强度更强的电磁场，比如测量30吉赫兹（GHz）的频率需要施加磁感应强度大约为1特斯拉（Tesla）的电磁场。医院里的早期磁共振成像仪（MRI）的磁场就大约有1特斯拉。小型电磁铁或永久性钕磁铁可以根据实际应用的需要，产生相应规模的磁场，从而使技术的实际部署成为可能。这些适用于电子战的量子增强传感器是通用的，可以部署在喷气机上、用于航天监视或作为被动雷达的替代品/增强工具。

应用于新型雷达和通信系统的太赫兹（THz）技术也吸引了越来越多的注意力。太赫兹也是一种电磁波，其技术应用涵盖从0.3太赫兹到3太赫兹的频率范围，该范围位于红外线和微波之间。太赫兹波段的数据传输速率非常高，在频率为0.3太赫兹时，最大传输速率估计约为每秒100吉比特（Gbit）。用太赫兹对材料进行光谱扫描，能呈现独特的光谱模式，从而能探测和分析材料的结构和性质。太赫兹技术所用到的天线尺寸很小，但由于强烈的大气吸收，探测范围有限，只有几十米。但这种限制在极高的海拔或太空中（大气吸收很少）并不存在，因此太赫兹技术在这些环境中有更广泛的应用。基于里德伯原子的传感器可能是接收太赫兹波段信号的理想接收器。此外，基于里德伯原子的窄带射频传感可以简化雷达或通信接收器的系统设计，这在低截获概率（LPI）/低检测概率（LPD）通信或未来的6G技术中有重要的应用价值。

（4）预测：

预计量子射频传感技术的初始部署将基于地面，目前的研究重点是将相关设备小型化，以便在将来可以适用于航空和太空领域。预计这些技术将在三年内或更长时间之后达到初始的现场运作能力。

量子射频传感的近期成就凸显了这一技术的快速进展。例如，美国国防部高级研究计划局（DARPA）的“量子孔径”（Quantum aperture）项目由霍尼韦尔公司（Honeywell）主导开发，该项目正在开发一种可编程的、基于里德伯原子的宽带传感器。该传感器覆盖频率范围广（从10兆赫到40吉赫兹），灵敏度高，比传统的传感系统提高了一到两个数量级。这些性能的提升有望解放当前拥挤的频谱，并为全新一代跳频通信技术创造可能性。“量子孔径”项目始于2021年，预计将持续到2026年，该项目展现出这些量子技术在各种应用中的潜力。此外，英国电信（BT）在5G和物联网技术的背景下对相关技术进行了重要测试。

图4. 量子技术的破坏性影响可以改变美国（及其敌对方）设计、防御和攻击电信网络的方式。

2. 量子钟

（1）介绍：

量子钟（特别是基于光晶格和离子俘获技术的量子钟）标志着从传统原子钟的重大飞跃，进入了超高精度的计时领域。光晶格钟的工作原理是将原子捕获在激光束网格中，形成一个晶格，使原子保持在该晶格的一致环境中，不受外界干扰（例如相邻原子的运动）。在这种设置下，原子在光频段（~10¹⁵ 赫兹）振荡，这比传统原子钟中使用的微波频段（~10⁹ 赫兹）要高得多，时间也更精确。

量子逻辑钟的工作原理则是将单个铝离子限制在电磁阱中。由于铝的状态十分稳定，很难检测到其状态，因此量子逻辑钟将铝离子与一个逻辑原子配对（通常是镁）。量子逻辑钟通过检测配对原子的状态变化，比较铝离子在被激光击中前后的振动频率。在性能方面，光学晶格钟的稳定性优于量子逻辑钟，而量子逻辑钟则具有更高的精度。

（2）优势：

量子钟在精度和准确度上都超越了传统的原子钟。例如，截至2019年，量子逻辑钟的频率误差极小，仅为9.4×10^-19。这意味着在330亿年的时间里，量子钟的时间偏差只有1秒，比原子喷泉钟精确了大约3个数量级。

（3）应用：

量子钟有两个主要用途。首先，量子钟用于精确时间的分配，例如像GPS这样的全球导航卫星系统（GNSS）就需要量子钟提供的精确时间，以确保定位准确。第二，便携的量子钟（但精确度降低）被应用于局部测量。对时间进行极端精确的测量可能会显得没有必要，但实际上，精确的时间对于各种量子传感和测量系统至关重要，比如量子重力测定和磁力测定，以及量子惯性导航和量子计算。此外，时间精度提高也可以给传统的雷达和电子战系统带来显著好处。

图5. 量子技术的应用远不止于量子计算，量子增强设备有可能大大提高能力，同时降低脆弱性。

例如，相对于协调世界时（UTC），GPS的时间偏差不到40纳秒；量子时钟可以将这一偏差细化到皮秒级别。此外，在全球导航卫星系统接收器中嵌入原子钟可以增强系统的反欺骗能力。

在雷达系统中，量子钟的超高精度让探测和跟踪能力也随之提升。这对于识别远距离、甚至是杂乱环境中缓慢移动的小型物体（如无人机）至关重要。对于实时结合多幅雷达图像的网络化雷达系统来说，精确定时也至关重要。

就电子战而言，将量子钟集成到电子战中，可以改变通信和干扰策略。量子钟的超精确时间使军队能够快速改变通信频率，从而避开敌人的干扰。量子钟还有助于传输更复杂的干扰信号，以破坏敌人的通信或其他电磁信号。此外，量子钟可以集成到各种军事设备中，提高准确性和有效性。

（4）预测：

量子钟目前处于实验阶段，正在不断发展和完善。从实验室向军事领域部署的过渡预计需要一段时间，在未来几年内可能会投入商用或军用。专家们正致力于将量子钟小型化，以便集成到各种军事平台上。量子钟体积若是足够小，便可以安装到导弹弹头、小型无人机或战斗机上的电子战吊舱。在航空和航天领域，量子钟可能在5至10年的时间内凸显出其价值。精度（时间测量偏差）为10^-11且尺寸较小（使用3U标准封装）的光学钟已经投入商用。

3. 量子换能器

（1）介绍：

换能是指将能量从一种形式汇聚成另一种形式，如天线、麦克风和加速度计就应用了换能。量子换能器出现后，将微波信号转换到光信号这一个换能过程也就得以实现。量子换能器是将量子信息从微波域转移到光域的关键。量子换能器采用各种机制，如电光和磁光器件、光机械结构和能级间隔适当的原子，以促进相干信号的转换。近期的研究进展显著提高了量子换能器的效率和带宽。有报道称，已有量子换能器的效率接近80%。

（2）优势：

通过量子换能器将微波信号转换到光学频率，与传统的微波信号处理相比具有明显的优势。这种转换使信息从窄带宽微波场映射到更宽的光频率范围，原本在微波频段中进行的信号处理任务可以在更广阔的光学频率范围内进行。这种能力使得信号得以使用相干频分复用（FDM）技术来处理，也就是说，可以在光域内同时处理多个信号，而不是依赖于几个并行的微波信道来处理多个信号。这也就提高了处理复杂信号任务的效率。

量子换能器的另一个优点与环境影响有关。在室温下，光域内来自热噪声的光子最少。这与微波频率相比是一个显著的优势，在微波频率下，热光子的占用会在信号中引入噪声。这意味着在光学领域中，信号受到的热噪声影响较小。光域系统对多通道光域的相位相关幅度控制也很强，类似于频域分束器。这种能力能精确控制特定频率，促进快速滤波，信号处理和更有效的数字化。

（3）应用：

在雷达技术中，量子换能器可以大大提高雷达的性能。通过将微波信号转换为光学频率，量子换能器使雷达系统能实现更高的灵敏度；特别是在探测具有最小雷达截面积和弱返回信号的目标时，量子换能器具有优势。在光学频率内，带宽和频率都更高，在探测更远距离的目标时，雷达分辨率也更高。

量子换能器在雷达接收器领域广泛应用，包括微波光子雷达、电子战系统、遥感和监视等。微波的稳定性，以及光学频率提供的高分辨率，显著增强了各种传感技术的能力，这对下一代综合监视和情报收集至关重要。

（4）预测：

将量子换能器集成到军事应用中有望取得进展。随着目前量子技术的进步，可以期待在未来五年内出现产品应用原型。目前用于量子计算的量子换能器已经在研发中。

本文深入探究了量子技术，强调了其在军事领域，特别是对航空和航天领域的雷达和电子战，具有不断增强的重要性和巨大应用潜力。量子传感器的技术就绪度已达较高水平，其在多样化和具有挑战性的军事环境中的应用似乎近在咫尺。这些进步不仅仅是理论上的，而且正从实验室环境研发过渡到实际应用领域——船舶、飞机和无人机上已应用了量子技术。

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