美国陆军研发量子技术装备

来源：中国指挥与控制学会

【知远导读】美国陆军《信号》杂志2020年6月号发表了罗伯特·k·阿克曼题为“Quantum Technologies Suit Up for the Battlefield”的文章，对美国陆军研发量子战场装备的情况进行了介绍。

未来战争，美国陆军基于全球定位系统的装备能否发挥应有作用面临较大不确定性，为此，陆军研究实验室的科学家们正在量子技术领域探索研发新型作战系统。

玻璃蒸气室中的原子被激光束激发到“里德堡”态以后，可以成为与传统金属天线完全不同的微波接收器。这是美国陆军作战能力发展司令部（CCDC）陆军研究实验室（ARL）研究人员的众多发现之一。该研究实验室的量子技术实验为新型战场装备的研制打开了大门，这些装备能够为战场上的士兵提供巨大作战优势。

战场上，一旦全球定位系统（GPS）遭到敌人的干扰或者破坏，就会导致使用传统GPS设备的士兵无法获取位置数据。美国陆军研究实验室正在进行的量子实验旨在为士兵提供便携式的定位、导航和授时系统，不使用GPS也能实现定位、导航和授时。

图片中的这名美国陆军士兵正在前往目的地执行任务的途中，他进入一片林深树茂的区域，无法确定继续前进的方向。由于敌人对GPS系统释放了干扰，无法获取位置信息，士兵就用随身携带的定位单元，获取位置和导航信息，并将这些信息显示到定位单元的屏幕上。士兵还收到了来自外部的告警信息，为他指示了敌人空中和地面部队的位置，向他发出威胁告警。但是，敌人离他距离很远，暂时对他还没有影响。敌人似乎毫无防备地离开了这片区域，甚至没有安排对这一区域进行警戒，反常的现象引起了他的怀疑。

然后，他立即使用随身携带的地面扫描单元，对地下目标进行检查探测。他的重力传感器探测到地下有一条加固的隧道，向前延伸了一段距离。这条隧道似乎是用钢筋混凝土建造的，里面可能隐藏了大量的敌军人员和物资。

他不想让他们从隧道中出来，让自己陷于被动，于是他向后方指挥部发送加密信息，他确信发送的信息不会被敌人破解。利用便携式精确定位系统，他能够提供这个神秘掩体的精确坐标，以及他自己的位置。不久，空中无人机到达目标上空，用精确制导弹药对地下隧道实施了攻击，将之摧毁。

这名未来士兵的每一个动作都将是使用陆军部队的量子技术装备完成的。目前，美国陆军研究实验室的科研人员正在研发这些装备。该实验室还与其他国防实验室、工业和学术界开展合作，共同探索可以直接应用于战场的量子技术。

美国陆军研究实验室量子、信息科学和定位、导航、授时(PNT)研究项目的首席科学家Fredrik Fatemi说:“量子可以提供很多东西。”“量子技术异常复杂，但是开展量子技术研究能够得到巨大回报。通信、导航、定位、计算以及战场探测是陆军需要的重要作战功能。”

陆军研究实验室量子、信息科学和定位、导航、授时研究项目主管Colin Reese解释了研究实验室的想法。他说:“我们认为量子技术能够带来革命性的变化，它将影响定位、导航、授时和目标瞄准的方式，……实际上，这种影响将涵盖整个美国陆军。”目前，量子装备研发的许多工程问题仍然停留在基础研究和组件层面上，只有把这些问题解决了，量子技术才能走出实验室，形成能在真实战场上使用的加固型装备。

Fatemi对这一观点进行了解释说明。他称:“量子信息科学和量子力学利用自然界的独特属性，为传感器、时钟、通信和计算带来革命性的变化，进而对陆军作战产生巨大影响。”他认为，拥有更好的时钟和加速度、旋转传感器可以为在GPS拒止环境下执行任务的战士提供帮助。电场传感器如磁力计可以帮助识别金属物体和地下隧道；量子计算可以解决一些棘手的经典难题，特别是与密码学相关的一些问题。

“对于量子信息科学来说，理解这些非直观的特性以及如何将量子技术用于作战，本质上依赖于精确测量。”“这需要对周围的环境非常了解，知道如何测量和控制磁场，知道如何测量加速度以及系统的其他扰动。”Fatemi认为，量子技术应用领域广泛，几乎所有普通传感器都可以通过量子原理提高自身性能。

美国陆军研究实验室在量子研究方面的职责之一是，为陆军在量子技术领域进行投资提供建议。Fatemi说:“我们正在寻找可能的途径，与军队和工业界的其他伙伴进行合作，将量子技术转化为实用的装备。”

虽然美国陆军研究实验室与工业伙伴进行合作，但他们研究量子技术的目的与陆军研究实验室不尽相同。工业伙伴研发的量子技术应用不适用于陆军作战，更不用说研制能够用于战场的加固型的量子装备了。

原子钟是第一项受益于美国陆军研究实验室量子研究工作的应用。原子钟是大多数定位、导航和授时系统的基础支撑，是未来替代全球定位系统的技术装备的核心部分。陆军研究实验室量子研究工作的近期重点是，开发更便携的原子钟和计时设备，以及惯性传感器，如加速计、旋转传感器和陀螺仪等，这些新系统不需要持续接收GPS的定位和时间信息。

隧道或掩体探测器是第二项受益于美国陆军研究实验室量子研究工作的应用。为免遭发现并受到打击，战争中的敌对双方常常会把部队或武器隐藏到地下。基于量子技术的隧道或掩体探测器，能够对地下环境进行探测，发现由隧道或掩体等引起的环境质量异常变化，准确测定敌方隧道或掩体的信息，为实施后续打击提供情报信息。

通信和计算的安全是第三项受益于美国陆军研究实验室量子研究工作的应用。量子纠缠是两个相距遥远的粒子之间具有的独特关联。通信和计算的安全性将受益于量子纠缠研究，这方面的研究成果可直接用于满足陆军的需求。

量子通信除了具有更好的安全性，还具有更大的带宽，供更多用户使用；量子传感器能够探测更宽的无线电频率，提高电子战能力，用于探测和对抗威胁；量子传感器能够使制导弹药的打击精度得到巨大提高，人机之间的交互将会减少。

“量子科学研究启发我们思考用非传统方式解决经典难题。”比如，用科学家们都想不到的方式开发新型传感器。近期，陆军研究实验室对如何发展量子技术装备“已经制定了很好的规划”，随着研究的不断发展，其他领域也在向量子技术运用敞开大门。

传统上，电场传感是使用天线来测量电磁信号的。研究表明，量子系统可以用与传统天线完全不同的属性来测量电场。利用量子科学探测电磁信息能够产生意想不到的独特效果。Fatemi解释说，研究人员正在把各种不同原子的奇异状态用做量子信息处理平台，这是与量子传感完全不同的应用，这种投资促进提出了电场感应的新方案。如此，旨在利用旧原理的量子研究产生了新的应用。

今天的许多传感器都是通过操纵单个原子实现高精度量子传感的。最好的原子钟也是如此，依赖于单原子气体完成计时；在寻找能够模仿原子行为的材料的过程中，科学家们一直在探索将量子技术运用于材料科学。类似研究方法促进了激光技术的发展，而激光技术的发展也源于量子信息科学的进步。

“量子科学研究已经取得的成就是量子科学与其他科学融合发展的结果，”Reese说。“量子力学无处不在，与材料、计算机、信息和工程科学交叉融合。人们可以把它们纳入各个学科，比如材料科学，设计出只有使用量子理论才能设计出的材料”。“量子技术是世界各国下一个竞相角逐的研究领域。”“很多国家投入巨资，希望籍此提高自己的传感、通信和计算能力。”

Fatemi认为，量子科学完成向技术的转化，还需要克服大量技术挑战。目前，低成本、适用于战场作战的先进激光器、真空系统和探测系统仍然面临多个障碍。军用量子技术装备要具有比商业领域更严格苛刻的标准，要坚固耐用，能够在战场上充分发挥效力。除了技术上的挑战，还必须解决人才发展问题。

（平台编辑：黄潇潇）

如何加入学会

注册学会会员：

个人会员：

关注学会微信：中国指挥与控制学会（c2_china），回复“个人会员”获取入会申请表，按要求填写申请表即可，如有问题，可在公众号内进行留言。通过学会审核后方可在线进行支付宝缴纳会费。

单位会员：

关注学会微信：中国指挥与控制学会（c2_china），回复“单位会员”获取入会申请表，按要求填写申请表即可，如有问题，可在公众号内进行留言。通过学会审核后方可缴纳会费。

长按下方学会二维码，关注学会微信