导读

在当前全球战略竞争日趋激烈的环境下，量子传感在下一代定位、导航和授时（PNT）中的应用已经成为国家安全的关键要素。近日，新美国安全中心（CNAS）发布最新研究报告，深入剖析了量子传感在应对GPS脆弱性方面的潜在优势与技术挑战，并着重评估了美国量子传感生态系统现状。本期我们将重点为大家介绍量子传感的独特优势。

长期以来，美国研发的全球定位系统（GPS）一直是全球定位、导航与授时（PNT）服务的核心支撑。然而，其自身固有的脆弱性正逐渐暴露，面临的威胁也与日俱增。一方面，对手的干扰和欺骗能力不断增强；另一方面，针对卫星的直接攻击风险也在上升。

GPS所受干扰已对军事行动造成了严重影响，甚至导致每天数千架次商业航班中断。一旦遭遇更广泛的攻击，极有可能引发灾难性的任务失败，导致关键基础设施大面积瘫痪，进而造成每天超过10亿美元的经济损失。

面对传统PNT服务所遭遇的日益加剧的威胁，量子传感器呈现了一种极具吸引力的替代选择。这些设备利用原子的稳定特性，能够提供极高的测量精度、长期准确性，并且在受干扰环境下依然能够可靠运行。量子传感器有望在未来几年内提升美国PNT系统的韧性，其应用范围涵盖潜艇、无人机和弹药的导航，以及电信网络、电网和金融系统的同步。

量子传感的独特优势

——下一代PNT的基石

量子传感器利用原子精确不变的能级结构实现高精度测量。当原子吸收或发射光子时，会以极其稳定的频率在能级间跃迁，这种“原子共振”现象使量子传感器具备卓越的长期准确性和稳定性，大大减少传统传感器的累积误差和频繁校准需求。

1. 新一代原子钟：精度再突破

微波原子钟现状

• 已成为GPS系统核心，构成国际时间单位“秒”的定义基础

• 美国实现显著小型化：芯片级原子钟(CSAC)缩小到钥匙扣大小

• 广泛应用于GPS卫星、电信、数据中心和军事设备

光学原子钟革命

• 利用可见光频率，每秒数百兆次跃迁，精度远超微波钟

• 目前公文包大小的光学原子钟已商业化，在军事平台成功演示

• 美国公司预计未来几年推出砖头大小原型

• 关键技术：小型化光学频率梳的并行发展

美国海军在环太平洋演习中测试量子时钟与重力仪

在2022年环太平洋（RIMPAC）演习期间，美国海军成功测试了Vector Atomic公司的光原子钟和原子重力仪。这些设备被安装在舰船上，展现了在海上环境下稳定运行的强大能力。其中，光原子钟在性能上甚至超越了氢原子钟，而原子重力仪则在无额外稳定硬件的“惯性捆绑”配置下自主运行了21天。

2. 量子惯性传感器：摆脱信号依赖

传统惯性导航系统(INS)存在漂移累积误差，需频繁GPS校准。量子惯性传感器通过捕获原子运动微小变化，显著减少误差传播。

主要技术路线

(1)

原子干涉仪

利用原子波粒二象性测量惯性力。冷原子版本——更高灵敏度；暖原子版本——更高带宽，设计更简单，已通过空间认证。

(2)

NMR陀螺仪

利用原子核自旋特性，对振动加速度不敏感，目前厘米级原型已问世。量子传感器可以最小化测量误差和漂移，减少定期校准的需求，与经典传感器集成后可在GPS拒止环境中实现更强大的导航解决方案。

太空展望：DIU推动原子陀螺仪在太空中的演示

国防创新单元（DIU）正在积极推进将原子陀螺仪送入太空进行测试。原子陀螺仪作为一种量子惯性传感器，可能在长时间运行中保持极高的精度和稳定性，远超传统惯性测量单元。在太空环境中验证其性能，将为未来卫星和航天器在GPS受限区域的自主导航提供革命性的解决方案。

3. 量子重力计和磁力计：隐蔽绝对定位

重力辅助导航(GravNav)

• 适用于海洋环境，测量地球引力场微小变化

• 美国公司与海军研究办公室合作，成功演示冷原子干涉仪重力计海上21天自主运行

• 对核潜艇等军事平台意义重大：可将惯性漂移误差从数英里限制到数百米

磁异常辅助导航(MagNav)

• 用于机载平台，包括载人、无人和武器系统

• 传统原子磁力计：铯和铷蒸汽电池版本已小型化到厘米级，应用数十年

• 新兴固态磁力计：基于金刚石氮空位(NV)中心，更适合光子集成，单设备提供磁场方向信息

核心优势：

• 被动传感，保持隐蔽操作

• 难以干扰或欺骗

• 适用于所有地形和天气条件

• 除PNT外，还可探测隧道、伪装车辆、资源储量等

空中突破：空军成功在飞行中首次以磁异常导航作为主要导航源

美国空军研究实验室（AFRL）在飞行中成功演示了磁异常导航（MagNav）作为主要导航源的能力。此前，这项技术通常被认为是GPS的辅助或备用方案。通过结合量子磁力计对地球磁场的精确测量，飞机可以在GPS信号不可用或受到干扰的情况下，依然实现可靠的定位。这对于提升空军在复杂电磁环境下的作战韧性至关重要，特别是对于需要隐蔽行动的空中平台。

4. 发展前景与挑战

量子传感器在性能和体积重量功耗成本(SWaP-C)方面进展显著，但仍面临技术障碍：恶劣环境下量子态稳健性保持；不牺牲性能前提下的进一步小型化和集成。实现量子传感器潜力需要强大创新生态系统，包括持续研究、战略投资和协调政府举措。