英国航母将在军演中首次使用量子技术

光子盒研究院出品

英国皇家海军(Royal Navy)宣布，威尔士亲王号航空母舰将于今天前往挪威参与28国北极军事演习，并将首次使用量子技术——一种高度精确的原子钟。

据称，这台设备(大约相当于一台典型的笔记本电脑大小)提供了高度精确的时间信号，如果GPS等全球卫星导航系统的信号出现故障，它将允许舰船的复杂作战系统进行同步。

海军工作人员手持原子钟

时间信号对军舰至关重要，掌握精确信息有助于军舰在海上作业时保持安全。但如果像GPS这样的系统出现故障或不可用，那么依赖它会带来问题，因此量子技术的引入提供了可靠的支持。

英国皇家海军与英国石油公司(BP)和英国Teledyne e2v公司密切合作，将量子技术应用于威尔士亲王号航空母舰。英国皇家海军办公室首席技术官Scott Wallace中校表示:“皇家海军、英国石油公司和Teledyne已经证明，将客户、行业和专家聚集在一起可以加速主权技术的发展，造福国家。”

他说：“将领先的量子设备投入前线对英国来说是一个游戏规则的改变者。”

加快原子钟的使用是因为皇家海军希望减少对GPS的依赖，这是该技术首次在水面舰艇上使用。该系统实现了体积的大幅缩减，有可能被舰队中的其他船只以及英国皇家海军陆战队突击队携带的背包所使用。

该技术的测试将为量子导航的实现奠定基础。由于全球卫星导航系统存在缺陷，比如电磁波容易受到干扰，在水下、密林深处、地下和有障碍物覆盖的地方更是无计可施。在无法接收卫星信号时，只能依赖惯性导航系统(INS)，但目前传统的惯性导航系统又面临体积庞大和精度不高的问题。因此，各国军队正在发展基于量子技术的导航系统。作为量子导航系统的重要组成部分，原子钟可以提高定位导航精度和降低长期漂移误差。

从皇家海军公布的近照来看，这台设备是由Teledyne e2v公司开发的MINAC(微型原子钟的简称)系统，是一种铯原子钟，旨在提供万亿分之一的频率精度和稳定性，应用领域包括电信、广播、公用事业、金融、运输、航空航天、国防等。英国国家物理实验室(NPL)为其提供了技术支持。

MINAC原子钟

MINAC原子钟的介绍

在2014年启动的英国国家量子技术计划(NQTP)中，量子精密测量或传感是英国重点开发的技术。由伯明翰大学领导的量子传感和测量中心是NQTP最初建立的四个量子技术中心之一。

迄今为止，英国在量子传感领域已经取得多项重要成果。

2014年，英国国防科学与技术实验室(DSTL)开始研究一种以超冷原子为基础的加速计，将其直接命名为QPS。

DSTL加速度计的原理是：激光捕获真空中的原子云，并使其冷却至绝对零度(-273.15℃)以上不到1度的温度。超低温下，原子会变成一种量子态，这种量子态很容易受外力干扰。这时用另一束激光来跟踪监测干扰造成的变化，就能计算出外力大小。

到了2018年11月，伦敦帝国理工学院和M Squared公司推出英国第一个用于导航的量子加速度计，精确度比传统加速度计提高1000倍，将作为潜艇量子导航系统的一部分，体积只有一个鞋盒大小。

冷原子量子加速度计

在磁力测量领域，英国诺丁汉大学开发出了一种轻便可穿戴的头盔式脑磁图扫描仪。传统的脑磁图扫描仪要在低温下工作，需要配套的冷却设备，外观笨重且成本昂贵。而新型脑磁图扫描仪使用了量子传感器等技术，它灵敏度更高、几乎不需要冷却。目前，Cerca Magnetics已经将其产品化。

Cerca Magnetics脑磁图扫描仪

在重力测量领域，伯明翰大学在2018年开发了名为Wee_G的量子重力梯度仪样机。到了今年2月，伯明翰大学首次将其量子重力梯度仪应用于户外环境。英国可持续发展解决方案提供商RSK、DSTL和Teledyne e2v是合作方。

该团队表示，这是世界上第一个在实验室条件之外应用的量子重力梯度仪，可以探明道路以下一米的隧道。

该设备在伯明翰街道下的隧道中进行了测试，大约有洗衣机那么大

一旦该设备实现商业化，将带来巨大的价值。根据英国政府发布的量子报告，英国进行基础设施维护，需要每年花费50亿英镑在道路上挖400万个洞，之所以这么做竟然是因为人们不清楚地下设施的具体位置。而量子重力仪能帮助建筑行业确定地下的详细状况，减少由于意外危险造成的工程延误，并摆脱对昂贵的勘探挖掘的依赖。具体应用包括：

● 降低建筑、铁路和公路项目的成本和延误。

● 改进对火山爆发等自然现象的预测。

● 发现隐藏的自然资源和建筑结构。

● 在不破坏挖掘的情况下理解考古秘密。

此外，它在航空领域也可能发挥重要作用。例如，安装在地球观测卫星上，宇航局可以用来测量地下水、海洋环流和隐藏系统对气候变化的影响。甚至可能会扩展到对太阳系其他行星的探索，更多地了解它们的内部结构。美国宇航局已经完成了这项工作，在GRAIL任务中向太空发射了重力仪，绘制了月球的重力场，并观察了月球表面下的情况。

尽管使用的不是更先进的量子重力仪，但仍然允许天文学家以前所未有的精度观察月球内部的各个层，甚至揭示了可能是地下洞穴的东西。如果这些新型重力仪进入太空，它或许可以用来在月球或火星上寻找地下水的证据。

美国宇航局使用重力仪测量月球

参考链接：

[1]https://www.royalnavy.mod.uk/news-and-latest-activity/news/2022/march/11/220311-hms-pwls-quantum-technology

[2]https://www.teledyne-e2v.com/en/solutions/quantum-timing-gravity/timing/

[3]https://www.ft.com/content/e90f902a-e441-11e8-a6e5-792428919cee

[4]https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-10599567/Quantum-gravity-sensors-developed-detect-pockets-ground-water.html

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