不到一周！美国军用量子传感器研发加速，英国量子惯导首次升空

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发布时间：2024-05-17

量子技术被认为是“21世纪改变世界的技术之一”，在加密通信、超高速运算、信息网络、定位导航等领域有着广阔的应用前景，其在军事方面的应用将对未来战争形态和作战方式产生重要影响。

量子传感器是量子技术武器中应用于军事领域的重要部分，也是各国量子技术武器研发的最新焦点。今年5月9日的最新消息，美国防创新小组（DIU）发布“量子传感器转化”（TQS）项目招标书，向工业界寻求能够替代定位、导航与授时功能的量子传感器。

而就在5月13日，英国政府的科学、创新与技术部门（DSIT）宣布，由量子技术公司Infleqtion、BAE Systems和QinetiQ研究实验室组成的联盟，已在飞机上成功演示了基于量子的惯性导航系统。这是全球首次公开展示此类技术的飞行演示，标志着量子导航技术向实际应用迈出了重要一步。

美国的对量子传感器研发的重视不言自明，该计划也引起世界各国的关注与讨论。作为掌握着世界最核心科技的国家，美国想要的量子传感器需要具备哪些特性呢？它将对美国的国防及军事应用产生什么作用呢？

在军事领域，经典传感器的应用虽然可以有效协助部队作战，但是仍有不可忽略的重要缺陷。例如，在全球定位系统 (GPS) 信号的拒绝或信号衰减会影响美军定位、导航和授时 (PNT) 能力的有效性，从而阻碍关键的作战任务。这些关键任务领域包括：精确武器使用、定位、导航和授时（PNT）、通信、情报、监视、目标获取和侦察（ISTAR）以及电子战。

现在，面对新兴的竞争，需要新的创新解决方案。此次招标的重点是展示量子传感器作为一项关键新兴技术的军事用途。

量子传感器可以检测运动和电磁场的原子级变化。这种能力可能会导致传统传感器的巨大进步，为军事行动提供无与伦比的精度和灵敏度。TQS 征集强调了这些技术已做好在军事环境中进行操作演示的准备。该项目将探索三个主要领域：量子惯导、量子磁力计和量子传感的螺旋增强。

众所周知，量子惯导在传感器测量中随着时间的推移积累的误差极小（也称为低漂移率），可以长时间保持精确导航，而不需要 GPS 等系统不断更新。这种能力对于传统导航设备不可用或不可靠的任务至关重要。另一方面，磁导航（MagNav）系统具有抗干扰能力，无论是环境因素还是对抗性干扰，使其成为在具有挑战性的条件下运行的理想选择。

DIU的招标旨在寻找集成磁力计以进行地磁测量和磁异常检测的方法。对于军事而言，这些应用可用于潜艇操作和检测爆炸材料。通过将这些设备与无人机结合起来，军方可以获得增强的机动性和扩大的作战范围。

TQS计划的提案将于5月29日提交，DIU鼓励通过模块化、迭代设计满足惯性和磁传感需求的解决方案。该机构正在优先考虑能够在各种军事任务中提供灵活应用的技术。

DIU新闻稿称：“目的是对这些解决方案进行中期功能演示，从而在未来五年内进行操作演示。”

值得一提的是，TQS项目是美国防创新小组近日宣布的“新兴技术”投资组合的一部分。该投资组合将重点关注商业和非传统“先进技术”能力，以及人工智能、自主、网络和电信、能源、人类系统和太空等领域。

除此之外，美国防创新小组近期将重点进行高超声速研究，将接管“高超声速和高节奏机载试验能力”（HyCAT）项目，未来将启动“先进材料和推进技术、纳米技术、光子学、微电子、增材制造和量子信息科学”的原型设计工作。这些举措反映了DIU持续致力于保持美国军队的技术优势，并确保其做好应对不断变化的全球威胁的准备。

这已经不是美国第一次进行量子传感器研发的项目规划。早在2022年，美国国家科学和技术委员会（NSTC）量子信息科学小组委员会（SCQIS）近日发布了名为《将量子传感器付诸实践》的报告，通过扩展量子信息科学（QIS）国家战略概述中的政策主题，增强了QIS国家战略。

该报告认为产业界、学术界和政府部门之间的合作可以促进必要的科学和工程进步，为此，报告提出了一些建议，以协调研发并促进量子传感器的有效应用。国家科学技术委员会量子信息科学小组委员会（SCQIS）应利用其机构间工作组，促进以下建议的适当实施：

1）领导QIST研发的机构应该加快开发新的量子传感方法，优先考虑与最终用户建立适当的伙伴关系，以提高新量子传感器的技术成熟度；

2）使用传感器的机构应该进行可行性研究，并与QIST研发领导人共同测试量子原型系统，以确定有前途的技术，并专注于解决其机构任务的量子传感器；

3）支持研发工程的机构应该开发广泛适用的组件和子系统，如紧凑可靠的激光器和集成光学器件，以促进量子技术的发展并扩大规模经济；

4）各机构应该简化技术转让和收购的流程，以鼓励量子传感器技术的开发和早期采用。

这些建议加强了美国的QIST战略，其长期目标是通过量子技术的发展促进经济机会、安全应用和科学进步。在近中期，即未来1-8年，根据这些建议采取行动将加速实现量子传感器所需的关键发展。

2023年，美国政府提出量子传感器研究和开发是现在美国能源部的优先事项之一，因为这些设备有望提高电网效率和可持续性。

除了优化国家电网以更好地利用可再生能源，美国能源部也在研究量子传感器在跟踪气候变化的潜力，以及进行地下勘探以寻找潜在的地下碳储存库，并努力减少水力压裂活动。

图｜Rydberg Technologies原子射频传感器（来源：Rydberg Technologies）

值得注意的是，2023年，在美国陆军作战能力发展司令部C5ISR中心网络现代化实验2023（NetModX23）项目中，量子传感领域的领导者Rydberg Technologies宣布，推出其基于量子传感技术的原子接收器，并成功演示了世界上首次使用原子量子传感器进行远距离无线电通信。这也是世界上首次长距离原子射频(RF)通信。

2024年1月，美国发布了2024年国家量子计划财政预算，此次公布的预算较2019年翻番，并且将支持期限延长至2028财年。从报告中看到，美国对量子传感技术的预算拨款与量子计算相差无几，意味着美国对量子传感技术的看重。

美国国防部提及其在量子传感器方面的大量研究，比其他部门要多得多。美国国防部还评估了一系列量子技术的成熟度和预期军事影响，他们认为有用的量子计算机可能还需要十年甚至更长时间才能实现，但是一些关于控制单个原子和光子的基础研究即将被用于制造更准确的传感器，包括追踪运动的加速度计和陀螺仪，以及探测重力和磁场小变化的设备——或许这也是为什么上文美国国家量子计划预算报告中，美国国防部对量子传感器研究兴趣这么大。

目前，全球主要国家已将量子传感器列为国家科技发展战略。欧洲包括英、法、德等国家以及日本都已将发展量子传感器列为国家战略、发布规划书，并取得了不错的成果：

在2023年11月，日本东京工业大学的科学家们已经成功开发出了世界上首个用于电动汽车电池的钻石（金刚石）量子传感器，能够将电动汽车的续航里程增加约10%。

而在2024年1月份，法国和德国的航天机构正式获准开发“Carioqa”项目，计划2030年在卫星上装载量子加速度计，旨在从太空准确绘制地球引力图。这将使预测地震、火山爆发，以及评估全球供水变化成为可能。

“Carioqa”项目由法国国家空间研究中心（CNES）和德国航天中心（DLR）发起，获得了欧盟委员会资助，17个欧洲合作伙伴参与其中。法国CNES的计划负责人克里斯汀·法莱表示，将量子加速度计送至太空是“世界首创”。

量子加速度计（来源：https://www.thestack.technology/quantum/）

量子加速度计能够以极其精确的方式测量不同的加速现象，例如构成地球的各部分的质量运动。这些超灵敏仪器已在采矿研究中发挥重要作用，但还无法提供全球视野。如能解决量子传感器在微重力条件下工作的难题，将实现绘制全球范围的重力强度，从而更好地测量与地震和海平面上升有关的地球重力变化。

2024年5月13日，英国政府的科学、创新与技术部门（DSIT）宣布，由量子技术公司Infleqtion、BAE Systems和QinetiQ研究实验室组成的联盟，已在飞机上成功演示了基于量子的惯性导航系统。这是全球首次公开展示此类技术的飞行演示，标志着量子导航技术向实际应用迈出了重要一步。

英国科学、创新和技术部（DSIT）表示，这些测试成果是Infleqtion公司与BAE Systems和QinetiQ合作的量子传感器项目的一部分。在英国这次的飞行试验中，该联盟利用量子基准对惯性测量单元（IMU）中的核心部件——加速度计和陀螺仪进行了改进。理论上，这种量子基准的IMU可以保持随时间推移的绝对精度，消除了传统加速度计和陀螺仪的漂移问题。尽管完美的IMU可能永远无法实现，但研究人员正在寻找超越传统IMU的量子基准精度。

该测试是英国研究与创新（UKRI）资助的项目的一部分，也是英国国家量子战略“任务4”的一部分，该战略的目标是到2030年在飞机上部署量子导航系统。该项目试图创建量子传感器，以解决英国对GPS等系统的定位、导航和授时数据的严重依赖问题。人们认为，这种依赖性可能会产生漏洞，干扰或欺骗GPS信号等故障可能会扰乱关键的经济、国防和战略活动。

通过在海上和空中的成功演示，这些测试不仅加深了我们对量子导航原理的理解，也为未来的军事和民用领域开辟了新的可能性，展示了在全球导航技术中迈向更高精度和可靠性的新时代。

由此可见，新一轮的国际竞争将会是量子科技之战，量子传感器是目前最接近实用的量子技术，也是全球大国争先进行研究的目标，这也给中国在量子传感器产业化以及在军事领域的研发带来启迪与思考。

参考链接：

[1]https://thequantuminsider.com/2024/05/16/us-defense-innovation-unit-launches-new-tech-portfolio-with-quantum-sensors-initiative/

[2]https://www.diu.mil/work-with-us/submit-solution/PROJ00538

[3]http://www.81.cn/gfbmap/content/2021-07/06/content_293439.htm

[4]http://www.qtc.com.cn/article/16805801853477.html