美軍最新量子戰場裝備：不使用GPS也可定位！
2020-10-19 14:06:51 EETOP綜合在量子通信方面我國應該已經位于世界前列，但我們也應該看到美國等先進國家量子應用的已經逐步應用于戰場的現實，以便知己知彼、百戰百勝。今天以量子定位為例介紹一下美軍的量子戰場裝備。
先講講什么是量子定位
量子定位系統（Quantum Positioning System, QPS） 概念最早是于 2001 年由美國麻省理工學院（MIT） 電子學研究實驗室從事博士后研究的 Giovannetti Vittorio 博士、 Mac-cone Lorenzo 博士與從事量子計算和量子通信研究的機械工程學教授 Lloyd Seth 在他們發表的一篇名為《Quantum- Enhanced Positioning and Clock Synchronization》 文章中提出的。
在上一節對傳統定位系統的定位原理和存在問題的分析中已經指出，衛星導航通過向在軌衛星發射電磁波脈沖并檢測信號到達接收機的時間延遲來實現定位的方式導致了偽距誤差。與衛星導航采用的電磁波信號不同， QPS 的測距信號是具有量子特性的脈沖信號， 這種信號是由沒有電荷和質量的光子組成。通過量子理論與量子力學，我們知道光量子具有奇特的量子糾纏和量子壓縮特性。
目前主要發展的兩種量子導航定位系統有星基量子導航系統和量子慣性導航系統。
MIT 的 Giovannetti V 博士最早提出的脈沖式量子定位思想可以通過下面的理性化實驗結構示意圖進行說明。
理想化實驗結構示意圖
圖中 Alice 作為待測點，Detectors 是由已知不同位置的 M 個檢測器組成的信號接收點，在實驗過程中， Alice 向每一個檢測器發送相同頻譜(脈沖的帶寬)以及功率(每個脈沖所包含的光子數 N)的脈沖，因此各組脈沖具有頻率糾纏性及強相關性，通過測量信號到達各檢測器的平均時間可以獲取待測點 Alice 的具體位置。在相同的理想通信通道中， M 個檢測器記錄下的到達時間具有相互糾纏特性，這為平均時間的計算提高了√M倍精度，提升因子√M是與相同帶寬條件下的非頻率糾纏脈沖相比得到的；每組脈沖均包含了 N個糾纏態光量子，在測量時可以獲得√N的精度提高，提升因子√N是與量子數目同樣為 N 的經典相干態下的脈沖相比得到的；由此可知，在 Alice 端發射 M 組頻率相互糾纏且結合了光子壓縮的脈沖信號進行關聯測量，綜合后最終可獲得√MN 倍的精度提高。
自 MIT 提出脈沖式量子定位以來，作為導航系統中重要的定位、 授時功能的體現， 基于量子糾纏及量子壓縮特性的光子脈沖測距和測時等相關研究就不斷被報道。
2002 年， Giovannetti V 博士在提出 QPS 概念的同時，設計并驗證了基于量子時鐘同步消色散的“Conveyor belt clock synchronization”方案， 證明在光量子可能傳播的一般條件下，時鐘的同步性不受分散介質存在的干擾，提高了量子定位精度。
2004 年美國馬里蘭大學 Valencia A 等人報告了一項關于遠距離二階關聯時鐘同步的驗證實驗，通過半波片改變 BBO 晶體制備出的糾纏態光源中的信號光和閑置光的方向，經過不同光纖路徑，得到不同傳輸路徑的精確時間差，最終得到皮秒級高精度時域。
2008 年， Villoresi P 等人建立了從低軌道（LEO） 衛星到地球上接收機的量子通信信道，用以研究發射脈沖的光學損耗和定時問題， 通過鏈路預算方程，得到單向鏈路損耗預計低于 20dB， 從而實現單光子信道的狀態，在實驗基礎上明確地證明了基于衛星的量子通道的可行性。
2011 年， Ben-Av R 等人在發表的文章中指出量子時鐘只有在 N 粒子限制在 W 態的情況下才能實現真正同步，并引入 W 的泛化狀態——Z 態，設計出一個最優化的多方位量子時鐘同步方案，但方案中 W 態的制備太過困難，目前未能實現。
2012 年， Lopez-Mago D 等人利用邁克爾干涉儀對共線下轉換光子對的干擾進行了完整描述，在試驗中，通過改調整干涉儀中反射鏡的位置與角度來改變糾纏光子對的傳輸路徑，經過偏振分束器與帶通濾波器的分析計算，得到相干長度達到 3.3m。
以上所列舉的基于量子力學理論建立的量子導航定位系統與傳統衛星導航類似，需要發射信號來實現用戶的四維坐標的定位，所不同的是 QPS 采用的是相干關聯的量子信號， 仍舊屬于有源定位系統。此外，上文提到的另一種基于量子慣性器件實現導航的量子定位系統，與傳統慣性導航系統類似，靠自身慣性器件實現姿態調整與定位，不需要從在軌衛星實時接收信號進行測距和授時，屬于無源定位系統。
該無源量子導航系統與傳統的慣性導航系統在結構上基本一致， 如圖所示， 主要由三維原子陀螺儀、三維原子加速度計、原子鐘和信號采集及處理單元四部分構成。
量子慣性導航系統
而作為慣性導航中的最重要的組成部分，原子陀螺儀與原子加速度計的研究目前是最受關注的，陀螺儀性能的優劣可以通過其零度漂移與角速度靈敏度大小作為衡量標準。與傳統陀螺儀測量方式不同，量子干涉陀螺儀基于原子的 Sagnac 效應， 冷原子團以相反方向沿著相同的拋物線軌跡形成冷原子束，在拉曼激光刺激下，形成干涉環路，由于雙環路原子干涉相移差的一半即為旋轉速率引起的相移，進而可以提取旋轉速率，其中零偏漂移理論值遠低于傳統陀螺儀幾個數量級。原子加速度計的精確測量同樣是利用原子的 Sagnac 效應實現的，因此其發展軌跡與原子陀螺儀幾乎一致。除干涉陀螺儀之外，利用堿金屬原子自旋的拉莫爾進動可以實現角速度的傳感，這類陀螺儀稱之為原子自旋陀螺儀。
在原子自旋陀螺儀研制方面，美國在此領域獨樹一幟，在 2007 年美國 Northrop Grumman 公司研制出了第一臺核磁共振陀螺儀樣機，經過 2010 年和 2012 年兩次對樣機進行改進，其零偏漂移優于 0.05° /h。下圖簡單表示了核磁共振陀螺（NMRG）的工作原理，通過腔室中堿金屬與惰性氣體自旋交換光泵浦獲得凈磁矩， 拉莫爾頻率為ωXe ， 當裝置轉動時其進動頻率為ωL，其值為ωXe+ ωL，之后通過觀測可得角速率ωR 。
核磁共振陀螺的原理
我國量子定位現狀
目前， 我國在原子自旋陀螺儀的研制方面進展比較快， 北航楚忠毅等人利用原子自旋陀螺儀核自旋磁場自補償動力學方程和仿真實驗，開發了穩定性好、實時性強的原子自旋陀螺儀核自旋磁場自補償系統，可實時有效地跟蹤核自旋磁場自補償點；周斌權等人制備了具有磁場噪聲抑制作用的異形加熱膜，使高頻正弦波作為加熱驅動信號，構建了堿金屬氣室集成化無磁電加熱單元。
經驗證，系統的等效磁場噪聲優于 17 f T/Hz1 /2，氣室內部的溫度穩定度優于 ± 0.006 ℃，為原子自旋陀螺儀的性能提升提供了可靠保障；2017 年， 為了進一步提高核磁共振陀螺儀（NMRG） 的靈敏度水平，對線性光旋轉角度檢測進行誤差分析和實驗研究。通過理論分析和實驗說明，發現消光比σ2 和直流偏置是差分檢測方法中產生檢測噪聲的因素。
中國航天科工三院 33 所秦杰等人在 2016 年取得了巨大突破， 項目組攻克了核自旋-電子自旋耦合極化與檢測等精密量子操控技術， 研制成功我國首個基于量子技術的核磁共振陀螺原理樣機， 樣機零偏漂移優于 2°/h， 使得我國成為世界上繼美國之后第二個掌握該技術的國家， 進一步縮小了與美國的技術差距。
在 2017 年針對線圈的磁場均勻性下降這一問題，提出了磁場等效增益系數，模擬磁屏蔽邊界對線圈磁場的影響，據此建立了磁屏蔽邊界條件下高均勻磁場線圈模型，優化了線圈參數。此外， 國防科技大學易鑫等人， 西安飛行控制所李攀等人分別從原子氣室溫度控制和陀螺儀多層磁屏蔽罩結構等方面為核磁共振陀螺儀的整體設計和制造提供了一定的理論依據和參考價值。
美軍的量子戰場裝備情況
（以下內容為 知遠戰略與防務研究 編譯）
目前，美軍已經將量子技術廣泛運用于戰場準備。為此，我們推出美國陸軍《信號》雜志6月號刊發的美國陸軍研發量子戰場裝備情況，供大家參考。文章為知遠戰略與防務研究所王克格編譯。
美國陸軍《信號》雜志2020年6月號發表了羅伯特·k·阿克曼題為“Quantum Technologies Suit Up for the Battlefield”的文章，對美國陸軍研發量子戰場裝備的情況進行了介紹。
未來戰爭，美國陸軍基于全球定位系統的裝備能否發揮應有作用面臨較大不確定性，為此，陸軍研究實驗室的科學家們正在量子技術領域探索研發新型作戰系統。
玻璃蒸氣室中的原子被激光束激發到“里德堡”態以后，可以成為與傳統金屬天線完全不同的微波接收器。這是美國陸軍作戰能力發展司令部（CCDC）陸軍研究實驗室（ARL）研究人員的眾多發現之一。該研究實驗室的量子技術實驗為新型戰場裝備的研制打開了大門，這些裝備能夠為戰場上的士兵提供巨大作戰優勢。
戰場上，一旦全球定位系統（GPS）遭到敵人的干擾或者破壞，就會導致使用傳統GPS設備的士兵無法獲取位置數據。美國陸軍研究實驗室正在進行的量子實驗旨在為士兵提供便攜式的定位、導航和授時系統，不使用GPS也能實現定位、導航和授時。
圖片中的這名美國陸軍士兵正在前往目的地執行任務的途中，他進入一片林深樹茂的區域，無法確定繼續前進的方向。由于敵人對GPS系統釋放了干擾，無法獲取位置信息，士兵就用隨身攜帶的定位單元，獲取位置和導航信息，并將這些信息顯示到定位單元的屏幕上。士兵還收到了來自外部的告警信息，為他指示了敵人空中和地面部隊的位置，向他發出威脅告警。但是，敵人離他距離很遠，暫時對他還沒有影響。敵人似乎毫無防備地離開了這片區域，甚至沒有安排對這一區域進行警戒，反常的現象引起了他的懷疑。
然后，他立即使用隨身攜帶的地面掃描單元，對地下目標進行檢查探測。他的重力傳感器探測到地下有一條加固的隧道，向前延伸了一段距離。這條隧道似乎是用鋼筋混凝土建造的，里面可能隱藏了大量的敵軍人員和物資。
他不想讓他們從隧道中出來，讓自己陷于被動，于是他向后方指揮部發送加密信息，他確信發送的信息不會被敵人破解。利用便攜式精確定位系統，他能夠提供這個神秘掩體的精確坐標，以及他自己的位置。不久，空中無人機到達目標上空，用精確制導彈藥對地下隧道實施了攻擊，將之摧毀。
這名未來士兵的每一個動作都將是使用陸軍部隊的量子技術裝備完成的。目前，美國陸軍研究實驗室的科研人員正在研發這些裝備。該實驗室還與其他國防實驗室、工業和學術界開展合作，共同探索可以直接應用于戰場的量子技術。
美國陸軍研究實驗室量子、信息科學和定位、導航、授時(PNT)研究項目的首席科學家Fredrik Fatemi說:“量子可以提供很多東西。”“量子技術異常復雜，但是開展量子技術研究能夠得到巨大回報。通信、導航、定位、計算以及戰場探測是陸軍需要的重要作戰功能。”
陸軍研究實驗室量子、信息科學和定位、導航、授時研究項目主管Colin Reese解釋了研究實驗室的想法。他說:“我們認為量子技術能夠帶來革命性的變化，它將影響定位、導航、授時和目標瞄準的方式，……實際上，這種影響將涵蓋整個美國陸軍。”目前，量子裝備研發的許多工程問題仍然停留在基礎研究和組件層面上，只有把這些問題解決了，量子技術才能走出實驗室，形成能在真實戰場上使用的加固型裝備。
Fatemi對這一觀點進行了解釋說明。他稱:“量子信息科學和量子力學利用自然界的獨特屬性，為傳感器、時鐘、通信和計算帶來革命性的變化，進而對陸軍作戰產生巨大影響。”他認為，擁有更好的時鐘和加速度、旋轉傳感器可以為在GPS拒止環境下執行任務的戰士提供幫助。電場傳感器如磁力計可以幫助識別金屬物體和地下隧道；量子計算可以解決一些棘手的經典難題，特別是與密碼學相關的一些問題。
“對于量子信息科學來說，理解這些非直觀的特性以及如何將量子技術用于作戰，本質上依賴于精確測量。”“這需要對周圍的環境非常了解，知道如何測量和控制磁場，知道如何測量加速度以及系統的其他擾動。”Fatemi認為，量子技術應用領域廣泛，幾乎所有普通傳感器都可以通過量子原理提高自身性能。
美國陸軍研究實驗室在量子研究方面的職責之一是，為陸軍在量子技術領域進行投資提供建議。Fatemi說:“我們正在尋找可能的途徑，與軍隊和工業界的其他伙伴進行合作，將量子技術轉化為實用的裝備。”
雖然美國陸軍研究實驗室與工業伙伴進行合作，但他們研究量子技術的目的與陸軍研究實驗室不盡相同。工業伙伴研發的量子技術應用不適用于陸軍作戰，更不用說研制能夠用于戰場的加固型的量子裝備了。
原子鐘是第一項受益于美國陸軍研究實驗室量子研究工作的應用。原子鐘是大多數定位、導航和授時系統的基礎支撐，是未來替代全球定位系統的技術裝備的核心部分。陸軍研究實驗室量子研究工作的近期重點是，開發更便攜的原子鐘和計時設備，以及慣性傳感器，如加速計、旋轉傳感器和陀螺儀等，這些新系統不需要持續接收GPS的定位和時間信息。
隧道或掩體探測器是第二項受益于美國陸軍研究實驗室量子研究工作的應用。為免遭發現并受到打擊，戰爭中的敵對雙方常常會把部隊或武器隱藏到地下。基于量子技術的隧道或掩體探測器，能夠對地下環境進行探測，發現由隧道或掩體等引起的環境質量異常變化，準確測定敵方隧道或掩體的信息，為實施后續打擊提供情報信息。
通信和計算的安全是第三項受益于美國陸軍研究實驗室量子研究工作的應用。量子糾纏是兩個相距遙遠的粒子之間具有的獨特關聯。通信和計算的安全性將受益于量子糾纏研究，這方面的研究成果可直接用于滿足陸軍的需求。
量子通信除了具有更好的安全性，還具有更大的帶寬，供更多用戶使用；量子傳感器能夠探測更寬的無線電頻率，提高電子戰能力，用于探測和對抗威脅；量子傳感器能夠使制導彈藥的打擊精度得到巨大提高，人機之間的交互將會減少。
“量子科學研究啟發我們思考用非傳統方式解決經典難題。”比如，用科學家們都想不到的方式開發新型傳感器。近期，陸軍研究實驗室對如何發展量子技術裝備“已經制定了很好的規劃”，隨著研究的不斷發展，其他領域也在向量子技術運用敞開大門。
傳統上，電場傳感是使用天線來測量電磁信號的。研究表明，量子系統可以用與傳統天線完全不同的屬性來測量電場。利用量子科學探測電磁信息能夠產生意想不到的獨特效果。Fatemi解釋說，研究人員正在把各種不同原子的奇異狀態用做量子信息處理平臺，這是與量子傳感完全不同的應用，這種投資促進提出了電場感應的新方案。如此，旨在利用舊原理的量子研究產生了新的應用。
今天的許多傳感器都是通過操縱單個原子實現高精度量子傳感的。最好的原子鐘也是如此，依賴于單原子氣體完成計時；在尋找能夠模仿原子行為的材料的過程中，科學家們一直在探索將量子技術運用于材料科學。類似研究方法促進了激光技術的發展，而激光技術的發展也源于量子信息科學的進步。
“量子科學研究已經取得的成就是量子科學與其他科學融合發展的結果，”Reese說。“量子力學無處不在，與材料、計算機、信息和工程科學交叉融合。人們可以把它們納入各個學科，比如材料科學，設計出只有使用量子理論才能設計出的材料”。“量子技術是世界各國下一個競相角逐的研究領域。”“很多國家投入巨資，希望籍此提高自己的傳感、通信和計算能力。”
Fatemi認為，量子科學完成向技術的轉化，還需要克服大量技術挑戰。目前，低成本、適用于戰場作戰的先進激光器、真空系統和探測系統仍然面臨多個障礙。軍用量子技術裝備要具有比商業領域更嚴格苛刻的標準，要堅固耐用，能夠在戰場上充分發揮效力。除了技術上的挑戰，還必須解決人才發展問題。
陸軍研究實驗室的科學家們堅信，量子應用能夠增強陸軍的作戰能力，并為這些作戰能力帶來革命性的變化。“但是，讓我們更興奮的是對未知問題的探索，”他說。“我們要發現新奇的事物，發現新奇的方法為我們的戰士提供保護并賦予他們能力，如果我們的研究工作只是因循守舊，墨守常規，那么發現這些事物和方法就會成為一句空話。”
