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量子传感正提高国防和军事行动的态势感知能力
光子盒研究院
当今时代，安全威胁不断演变，人们通过采用新颖的深层技术风险投资来不懈追求技术优势，量子科学与军事应用的融合成为国防领域的关键时刻。
传统上，国防部门被认为是新技术趋势的早期采用者，这里指的是所谓的量子2.0技术（定义为利用和探索量子力学细微差别的技术）。然而，由于商业部门的采用率和资金投入较高，政府和国防最终用户有可能被甩在后面，这对该领域来说是一个巨大的风险，而且对其他正在加速该领域发展的国家来说也是一个风险。
量子传感这一开创性领域，这项变革性技术有望彻底改变国防和军事行动中的态势感知。在探索过程中，我们将揭示量子传感的前景：在这一领域，精确度、灵敏度和探测能力将达到前所未有的高度，从而开创传感模式和传感器超配的新时代。
在深入研究量子传感之前，了解态势感知在国防和军事行动中的重要性至关重要。从历史上看，有效的态势感知一直是军事成功的基石，它提供了理解环境、预测威胁和果断应对的能力。传统上，这种感知是通过雷达系统、卫星图像和红外等其他方式分散进行的。最近，随着计算能力的增强和多种传感器的出现，战场相互连接的趋势日益明显，通过各种平台融合传感器数据，并依赖于重要的通信基础设施。这很容易受到干扰或失去覆盖范围。
然而，量子传感的出现有望将态势感知提升到前所未有的水平。当我们考虑态势感知的演变时，就会发现当代威胁环境的特点是复杂性，需要先进的解决方案。传统传感器虽然很有价值，但往往在精度、灵敏度和范围方面受到限制。然而，量子传感有望提供新的能力，更重要的是弹性能力，例如在强大的PNT领域，使用基于冷原子的系统进行导航，从而减少对GPS的依赖。
要掌握量子传感的变革潜力，就必须了解其基本原理。量子传感的核心是利用量子力学的独特特性，尤其是叠加和纠缠。虽然这些概念在许多其他资料中都有详细论述，但归纳起来，利用量子力学的各个方面，是有可能获得优势的。但这并非没有风险，因为采用新技术需要专业的系统工程，以创建一个可在陆海空三军环境中部署的强大系统。
实现量子传感的技术范式有多种，可归纳为以下几种：
- 超导电路
用于传感应用的超导电路通常被认为是超导量子干涉器件(SQUID)。虽然这些器件依赖于低温冷却，但它们已经成为当今最灵敏的磁强计的基础。
SQUID作为量子传感器常常被忽视，因为它们的发展要早于量子传感器，但它们仍然很有趣。它们也是量子传感器如何创造全新先进应用的先驱案例，例如脑磁图(MEG)。
- 原子和离子
原子和离子为形成用于传感应用的量子系统提供了广泛的可能性。原子可以包含在原子蒸气电池或磁光阱(MOT)中；离子可以包含在射频阱中。基于原子蒸气电池的量子传感器已在紧凑型原子钟和光泵磁力计(OPM)中投入商业应用。
在这些应用中，MOT和射频阱将与原子蒸发电池竞争，并形成基于所谓里德堡态的新一代宽带射频传感器。
传感和通信的一项关键技术是基于计时和时钟。没有灵敏的时钟，全球定位系统就无法正常工作。对更好时钟的追求说明，当元件小型化和坚固耐用，可在实验室外部署时，就会释放出机遇。时钟还说明了量子传感与现代计量学参考标准之间的相互作用，以及在避免外部校准方面的微妙优势。高级时钟，特别是光学时钟，有望提高全球定位系统的灵敏度，而且当与其他量子技术领域相结合时，还可以提供新的导航模式，从而减少对外部全球定位系统的依赖，使平台能够在没有全球定位系统干扰的环境中进行导航。
此外，MOT还能在原子干涉测量的基础上实现一种全新的传感形式，尤其有望用于传感重力和加速度。
- NV金刚石
NV金刚石凸显了量子传感器在性能与环境之间的新权衡。它们的开发是一个很好的例子，说明材料科学和制造技术的进步可以为新一代传感器奠定基础。通过为雷达应用制造超稳定射频振荡器，这可能会对射频领域产生影响。
- 光子学
光子学已经是一个庞大而多样化的技术领域。现有的传感类别包括从基本过程控制到高性能环形激光陀螺仪和激光雷达系统。量子光子学技术正在对传统光子学进行扩充。这些技术使我们能够使用单光子，为飞行时间应用提供更高的灵敏度和更强的分辨率。
在更先进的应用中，我们有望在未来使用纠缠光子和独特的“挤压”光状态；这些都为进一步从根本上提高信号分辨能力和灵敏度提供了途径。
光子学不仅是一个传感平台，而且在其他量子系统的控制和读出中发挥着无处不在的作用，并为相干量子网络提供了前景，因此具有核心意义。
量子传感在国防和军事行动中的应用非常广泛，但也并非没有挑战。从识别隐形潜艇到弹道导弹发射预警，量子传感器有望增强各个领域的探测和跟踪能力。此外，它们在导航、通信和网络安全领域也具有显著优势。
在导航领域，量子陀螺仪和加速度计可提供超精确测量，从而改进全球定位系统失效环境下的制导系统。
在可现场部署的医疗技术领域，光学泵浦磁力计(OPM)是磁共振成像等低温MEG系统的有趣替代品。可现场部署、可穿戴的磁共振成像系统的想法对前线头部损伤评估具有一些有趣的意义。
美国(ARL)特别感兴趣的另一个领域是射频传感，目前正在进行所谓的里德堡原子领域的工作，以产生超宽带射频传感器。其中，BAE公司和英飞凌公司的目标是开发一种1立方厘米的传感器，能够感应10MHz至40Ghz的信号；英飞凌的Maxwell射频传感器平台已于2022年成功展示，在SHF频段的灵敏度为10 nV/cm/√Hz。
重力感应（包括绝对重力感应和重力梯度感应）也是有望在传感领域产生颠覆性影响的一个技术领域。利用冷原子系统可以检测重力梯度的变化，从而使传感器能够检测到空隙。在国防领域，这项技术正被用于探测水下的空气袋，这可能对潜艇探测、简易爆炸装置和地下隧道探测产生影响。这项技术正在全球范围内通过各种项目进行开发，需要国防客户的进一步参与，以确保传感器部署平台的工程设计和优化。
虽然量子传感的潜力令人期待，但必须认识到其广泛应用所必须克服的挑战。这些挑战包括温度敏感性、噪声以及对安全、易懂的量子元件供应链的需求。研究人员和国防机构正在积极努力解决这些障碍，以确保量子传感技术的实际可行性。这些技术提供商和国防客户必须参与其中，以发现广泛的用例；国防领域非常复杂，传感器可以部署在多种类型的平台上。
以用于计时的原子钟为例，如果传感器部署在快速喷气式平台、太空平台、陆基雷达装置或潜艇上，SWAP-C的工程要求可能会有所不同。
在上述每种情况下，都需要仔细考虑，以确保相关系统工程能够获得最大优势，同时保持传感器在每种使用情况下的通用性。
量子传感技术的出现是军事态势感知领域的分水岭。它有可能彻底改变我们探测和应对威胁的方式，增强世界各国和军队的安全。然而，这一变革之旅并非没有挑战和道德考量。
在我们探索这一未知领域的过程中，政府、研究人员和政策制定者必须通力合作，充分发挥量子传感的潜力，尤其要确保国防客户和最终用户积极参与这一领域，以了解量子传感的能力和局限性，并确保供应商了解将系统部署到这一领域的作战环境和要求。
参考链接：[1]https://quantumcomputingreport.com/quantum-sensing-enhancing-situational-awareness-in-defence-military-operations/[2]https://www.global-qi.com/product-page/outlook-report-quantum-sensing-23
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