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美国陆军研究实验室（ARL）的研究人员发现，用激光探测的玻璃池中的原子可以以与传统金属天线完全不同的方式充当微波接收器。在那里进行的量子技术实验可能为新的战场设备打开大门，这些新设备为士兵提供了对抗敌人的关键优势。图片来源：ARL
在战场上使用常规GPS装置的士兵可能会遭到敌人针对GPS信号的干扰而难获取位置数据。ARL的量子实验旨在为士兵提供不依赖外部信号的便携式定位、导航和计时系统。图片来源：美国陆军
面对不确定的未来，美国陆军研究实验室（ARL）的科学家正在探索新领域。
当敌人使卫星GPS信号无效时，士兵诉诸于其内部位置定位单元，将其位置精确地对准了仪表。他的外部传感器套件会向他发出警报，告知有敌人的空中和地面部队存在，但距离足够远，没有任何影响。通过地面扫描仪，他发现自己仅在地球表面上方。他的重力传感器已经检测到他前面的一个坚固的隧道结构，该隧道结构向前和向侧面延伸了一段距离。它似乎是用钢筋混凝土建造的，从结构上看，它里面可能隐藏了许多敌军及其物资。他不想让敌人出现并取得优势，他选择将加密的消息发送回总部，并确信该消息不会被破坏。使用他的便携式精密导航系统，他能够为神秘掩体提供准确的坐标以及自己的位置。然后，他退后一步，一队无人驾驶的机器人用精确的弹药攻击敌人的掩体。尘埃落定后，他毫发无损。但是，他确实需要在曾经构成一个隐藏敌人基地的瓦砾周围找到一条新的前进道路。未来士兵的一切行动（由他自己的思维过程驱动的行动除外）都是通过部署在整个部队中的量子技术来实现的。这些系统目前是美国陆军作战能力发展司令部（CCDC）陆军研究实验室（ARL）的研究目标，该实验室与其他国防实验室，工业界和学术界合作。ARL正在探索可直接应用于战斗的许多量子技术，但其科学家还希望实验室发现和探索实验中出现的迄今未知的用途。“量子提供了很多，” ARL量子信息科学以及定位、导航和授时（PNT）基本研究计划的首席科学家Fredrik Fatemi说。这些问题非常复杂，但是值得付出。ARL军队量子、信息科学和PNT基本研究计划的研究负责人Colin Reese解释了ARL的观点。“我们将量子视为长期的、革命性的变化，它将影响陆军对PNT和目标的感知方式，我们的人员在哪里、成像、计算，我们如何在网络上沟通……以及实际上跨多个应用程序的应用。Colin Reese继续指出，许多工程问题仍停留在基础研究/组件层面，需要进一步解决。他说：“我们不仅要弄清楚在哪里可以拿到它，还要弄清楚将它搬到实验室外必须克服的问题是什么。”Fatemi在这一观点上进行了扩展。他指出：“量子信息科学和量子力学充分利用了自然界的独特性质，可以彻底改变传感器、授时、通信和计算，所有这些都会对陆军任务产生巨大影响。” 他认为，拥有更好的授时、加速和旋转传感器可以帮助士兵在GPS受限的环境中工作。磁力计等现场传感器可以帮助识别金属物体和地下隧道。量子计算可以解决经典的棘手问题，尤其是对于密码学而言。“对于量子信息科学，了解非直觉特性以及如何将其用于战斗，本质上取决于测量的精度，”法塔米说。“这需要非常了解您的环境，知道如何很好地测量和控制磁场，知道如何测量系统的加速度和其他扰动。” Fatemi将量子描述为一个无处不在的领域，他提出使用量子原理可以增强几乎所有常规传感器。ARL对量子研究的部分职责包括就该军种应在量子技术上进行的负责任投资向陆军提供建议。Fatemi说：“我们正在寻找可能的艺术，然后与其他陆军和工业合作伙伴一起努力将其磨练到切实可行的水平。”尽管ARL正在与行业合作伙伴合作，但商业部门和学术界的目标不一定与陆军实验室的目标相同，商业应用并不适合陆军作战，更不用说适合战场了。Fatemi提供了可能从ARL量子工作中受益的第一个应用是原子钟。这些设备构成了大多数PNT系统的骨干，并且是GPS替代产品的核心。近期研究的重点是开发更多便携式原子钟和授时设备，以及惯性传感器，如加速度计，旋转传感器和陀螺仪。他指出，这些新系统无需与GPS星座连续进行定位和授时通信。在开发之后可能出现的另一个功能是隧道或掩体检测。量子技术将用于测量质量异常，这由引力场的变化表示，在这种情况下，敌军或核材料可能不会被视距或地面攻击所掩盖。然后是量子纠缠，其中两个遥远的粒子之间建立了唯一的相关性。这项研究将使通信和计算的安全性受益，这项研究将直接应用于陆军的需求。Reese强调，除了提高安全性外，通信还将能够通过网络为更多用户提供更多带宽。传感器将具有增强的射频和电子战能力，既可以检测威胁也可以抵抗威胁。精确制导的弹药将更加精确，需要更少的人类互动。Fatemi表示：“我们在量子科学方面的研究所做的一件事是，它使我们能够以非传统方式思考经典问题。” 例如，这包括以科学家甚至没有预料到的方式开发新型传感器。就其需求而言，使用量子技术的近期进展“被很好地规划了”，但是随着研究的进展，其他领域正在向量子能力开放。传统上，电场感应是一个领域，它使用天线来测量信号。但是研究发现了量子系统，它可以以不同于传统天线的完全非典型特性，以不同的方式测量电场。他认为，使用量子科学能够感应电磁信息可能会导致独特的功能，而这些功能以前甚至都没有被考虑过。Fatemi解释说，研究人员正在将各种不同原子的外来状态视为量子信息处理平台。他指出，这与传感是一个非常不同的应用，但是在量子信息处理方面的投资却导致了在电场传感中使用原子的另一种方法。在这种情况下，旨在利用较旧原理的量子研究导致了新的应用。他指出，当今的许多传感器都依赖于操纵单个原子，最好的原子钟也是如此。Fatemi说，在寻找可以模仿原子行为的材料时，科学家们一直在探索量子科学的分支。类似的方法导致了激光器的发展，其起源于量子信息科学的发展。“量子的许多增益都在某些切线上，”Reese说。“由于量子力学的普遍性，它处于材料、计算机、信息和工程科学的交叉点。他解释说：“你可以把这些分支放在材料科学领域，比如说，你在那里设计的材料，如果你不走量子路线，就不一定会有的。”。Reese指出：“量子是世界上的一个研究领域，是国家间的下一次‘太空竞赛’”。“许多国家正在投入大量资金进行研究，希望能真正对它们的传感、通信和计算产生影响。他继续说：“我们在做研究的同时，也在学习哪里是我们投资研究的好地方，以及与任何追求相同应用的友好国家、公司或学术界合作的好地方。”Fatemi承认，要将量子科学带入技术领域，还需要克服“一系列”的技术挑战。先进的激光、真空系统和低成本、战场能力强的探测系统在实现之前必须跨越几个障碍。设计必须加固和充分有效地在战场上工作，这需要比在商业部门更严格的标准。除技术挑战外，这项努力还必须解决人才发展问题。Fatemi指出，ARL的科学家对量子应用增强甚至革命性的已知能力的前景充满热情。“但让我们很多人兴奋的是问号，”他报告说。“我们要找到什么新奇的东西，我们要用什么新奇的方式来处理和发展保护我们的士兵，并给予他们如果我们只是采用线性研究方法就不会有的能力？”
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