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(cè)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(dòng)對(duì)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(jì)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(jì)時(shí)、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(shí)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(dòng)量子傳感器技術(shù)向前發(fā)展,其潛在應(yīng)用價(jià)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(shí)處于多個(gè)狀態(tài)的疊加態(tài),這意味著量子傳感器可以同時(shí)對(duì)多個(gè)物理量進(jìn)行測(cè)量,極大地提高了測(cè)量的效率和精度。例如,在測(cè)量磁場時(shí),基于量子疊加的傳感器可以同時(shí)感知多個(gè)方向的磁場強(qiáng)度,而不像傳統(tǒng)傳感器那樣只能逐個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量。
量子糾纏則是一種更為神奇的現(xiàn)象,兩個(gè)或多個(gè)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(duì)其中一個(gè)粒子的測(cè)量會(huì)瞬間影響到另一個(gè)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(duì)物理量的超精確測(cè)量。通過糾纏的量子粒子對(duì),一個(gè)粒子受到外界物理量的影響時(shí),另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)相應(yīng)改變,這種改變可以被精確測(cè)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(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過對(duì)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(dòng)大大降低,從而提高傳感器的測(cè)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(chǔ)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(cè)量
量子傳感器技術(shù)在測(cè)量物理量時(shí)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(shí)1米以內(nèi)的導(dǎo)航位置偏移誤差。這種高精度的測(cè)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(shì),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(hào),如全球定位系統(tǒng)(GPS)信號(hào)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(shí)信息。在電子戰(zhàn)中,當(dāng)敵方對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行干擾或屏蔽時(shí),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(duì)提供準(zhǔn)確的位置和導(dǎo)航信息,保障作戰(zhàn)行動(dòng)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(shí)感知多種物理量,如磁場、重力、加速度、角速度等。通過對(duì)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(hào)或測(cè)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(jì)等多種量子傳感器,同時(shí)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(hào)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(duì)物理量的測(cè)量和計(jì)算來確定位置、導(dǎo)航和授時(shí),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(hào)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(hào)不向外發(fā)射,不易被敵方探測(cè)和截獲,具有較好的隱蔽性,有利于軍事行動(dòng)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(cè)量能力,能夠?qū)崟r(shí)精確地計(jì)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(shí)無法接收GPS信號(hào),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(jì)等設(shè)備,潛艇可以精確測(cè)量自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和周圍環(huán)境的物理量變化,實(shí)時(shí)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(dòng)。
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(duì)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(duì)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(shí)獲取準(zhǔn)確的位置信息,便于指揮作戰(zhàn)和協(xié)同行動(dòng),提高作戰(zhàn)效率。
目標(biāo)定位。用于對(duì)敵方目標(biāo)進(jìn)行定位,通過探測(cè)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(cè)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(duì)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(hào)或信號(hào)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(shí)監(jiān)測(cè)自身的位置變化,及時(shí)調(diào)整航線,避免碰撞和危險(xiǎn),同時(shí)在作戰(zhàn)中能夠更準(zhǔn)確地執(zhí)行任務(wù)。
授時(shí)方面
通信系統(tǒng)同步。為軍事通信系統(tǒng)提供高精度時(shí)間同步信號(hào),確保通信網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間一致。在量子衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,高精度授時(shí)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(shí)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(cuò)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(gè)部分在時(shí)間上精確同步,提高雷達(dá)的探測(cè)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(shí)間同步,可以使多個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的更精確探測(cè)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(shí)間基準(zhǔn),使各武器裝備能在準(zhǔn)確的時(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)駕駛的安全性和可靠性。量子傳感器能夠精確測(cè)量車輛的位置、速度和姿態(tài)變化,為自動(dòng)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(cè)。利用量子傳感器對(duì)物理量的高靈敏度測(cè)量能力,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的精確監(jiān)測(cè)。在空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中,量子傳感器可以檢測(cè)空氣中微小顆粒的濃度和成分變化;在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中,能夠精確測(cè)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(cè)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(cè)。通過檢測(cè)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(shí)監(jiān)測(cè)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(shì)
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(gè)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(jì)和量子磁力計(jì)等多種傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)多種物理量的同時(shí)測(cè)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(cè)量精度將進(jìn)一步提高。通過優(yōu)化量子態(tài)的操控和測(cè)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(cè)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(duì)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(jià)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(shí)應(yīng)用外,還將在情報(bào)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(cè)敵方的電子設(shè)備和通信信號(hào),為情報(bào)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(cè)和干擾敵方的電子系統(tǒng),提高己方的電子戰(zhàn)能力。
推動(dòng)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(dòng)多個(gè)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(dòng)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(jì)時(shí)功能可以為金融交易提供更準(zhǔn)確的時(shí)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(gè)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(dòng)技術(shù)創(chuàng)新;在生產(chǎn)環(huán)節(jié),將建立起規(guī)?;纳a(chǎn)基地,降低生產(chǎn)成本;在應(yīng)用環(huán)節(jié),將帶動(dòng)眾多行業(yè)的發(fā)展,創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
國際合作加強(qiáng)。量子傳感器技術(shù)是一個(gè)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(dòng)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(jì)、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(duì)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??蒲腥藛T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(duì)環(huán)境因素如溫度、振動(dòng)、電磁干擾等極為敏感。這些干擾會(huì)影響量子態(tài)的穩(wěn)定性和測(cè)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(dòng)和電磁干擾等因素都會(huì)對(duì)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(shí)。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(huì)實(shí)時(shí)產(chǎn)生大量的位置、速度和姿態(tài)數(shù)據(jù),對(duì)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(shí)、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(duì)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(duì)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(dòng)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(shí)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(jì)、制造和測(cè)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(shì),但作為新技術(shù),市場對(duì)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(duì)量子傳感器技術(shù)還比較陌生,對(duì)其性能和應(yīng)用價(jià)值缺乏了解。需要加強(qiáng)市場推廣和宣傳,提高用戶對(duì)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。