據(jù)報(bào)道，量子傳感技術(shù)有望徹底改變某些軍事領(lǐng)域，無論是提供高度精確的定位數(shù)據(jù)，還是探測全球海洋潛艇。在此篇文章中，處于量子傳感技術(shù)前沿的美國陸軍科學(xué)家探討了未來將如何使用量子傳感技術(shù)，并講解了目前為止已經(jīng)取得的顯著成果。

目前定位、計(jì)時和導(dǎo)航功能主要依賴于利用量子力學(xué)的原子鐘，但在未來，只需量子傳感技術(shù)就可提供慣性導(dǎo)航，從而減少對干擾GPS（全球定位系統(tǒng)）信號的依賴

量子力學(xué)徹底改變了科學(xué)，探索了無法用經(jīng)典物理定律解釋的現(xiàn)象。這門學(xué)科誕生于20世紀(jì)初對光和熱本質(zhì)的研究，探索了原子、光子和亞原子粒子的行為，并最終演變?yōu)樘剿髡麄€宇宙的構(gòu)成。

這項(xiàng)研究已為眾多技術(shù)的發(fā)展提供了支持，包括激光技術(shù)、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、晶體管和微處理器等。然而，這些并沒有充分利用量子力學(xué)所體現(xiàn)的“奇異性”，其中包括物質(zhì)波二象性（光既是波又是粒子），以及量子疊加原理（原子在觀察之前處于兩種狀態(tài)）。還有一種現(xiàn)象是“量子糾纏”，即當(dāng)其中兩個或多個量子比特（quantum bit，縮寫qubit）處于糾纏態(tài)時，對其中一個量子比特做任何改變時，另一個會立刻做出相應(yīng)改變。

這些通常被稱為量子的“反直覺”特性，這也是量子傳感技術(shù)的關(guān)鍵。

“量子傳感技術(shù)能夠利用一些反直覺的自然特性來測量時間、磁場、重力或加速度等?！泵绹戃娧芯繉?shí)驗(yàn)室（US Army Research Laboratory）的科學(xué)家Paul Kunz解釋道，“例如，像那種落地式大擺鐘可能會通過振蕩鐘擺來測量時間，但是像銫（Cs）原子這樣的小粒子會產(chǎn)生電子，然后這些電子可以以特定的頻率來控制振動?！?/p>

是時候做出改變了！

銫可用于原子鐘內(nèi)，它為國際單位制（International System of Units）中“秒”的定義提供了主要標(biāo)準(zhǔn)。同時，銣（rubidium，Rb）也可用于高精度原子鐘內(nèi)，雖然大家一致認(rèn)為它不如銫精確，但由于它價格低廉，依然被市場廣泛采用。

“不管是銫原子還是銣原子，它們都不僅非常精確，而且頻率也相同。”Kunz說道，“這些反直覺的特性在計(jì)時和定位方面應(yīng)用很廣，比如GPS。同時，它們還用于可以探測潛艇或彈藥的磁力計(jì)中?！?/p>

量子傳感器也可以直接測量加速度或旋轉(zhuǎn)速率，從而確定拒絕GPS信號的位置，但目前來說，這些仍然處在研究階段。

“最終量子傳感器將利用量子力學(xué)中被稱為‘糾纏’的特性（許多粒子或光子都以這樣的方式相互關(guān)聯(lián)），從而大大增強(qiáng)傳感器的信噪比?！彼a(bǔ)充道，“這一獨(dú)特的特性終將為我們帶來意想不到的功能。”

據(jù)Kunz表示，在科學(xué)前沿的探索中，“量子糾纏”研究變得尤為重要，而此領(lǐng)域目前正是一塊“富饒和肥沃的土壤”，有待人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。持續(xù)的研究工作表明，“量子糾纏”如何在“絕對安全”的環(huán)境中（因?yàn)榱孔颖忍叵到y(tǒng)無法在不從根本上干擾原始量子位元的情況下被復(fù)制，又稱為不可克隆原理）為量子網(wǎng)絡(luò)提供傳輸量子信息的能力，以及如何在傳感和計(jì)量領(lǐng)域有所應(yīng)用。

美國宇航局（NASA）在2018年12月宣布，它已成功建造并向大家展示了一款能夠獲得高靈敏度和精確重力測量的量子傳感器原型（圖片來源：美國宇航局）

量子傳感可以用來探測水下金屬物體，如地雷或潛艇，現(xiàn)在美國和中國都在競相開發(fā)更精確的反潛傳感器（圖片來源：美國海軍）

Rydberg原子實(shí)現(xiàn)新突破

2018年10月，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室對外公布，將利用里德伯原子（Rydberg atom，一種被激發(fā)到高能級的原子），開展電場傳感器和通信接收器的研發(fā)工作。

“在此次利用Rydberg原子進(jìn)行電場傳感器的研究中，我們最初感興趣的是Rydberg原子可作為量子中繼器（quantum repeater）遠(yuǎn)距離傳輸量子信息的前景，但在不斷研發(fā)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)了它們作為傳輸傳統(tǒng)經(jīng)典信息傳感器的潛力。因此，我們立即開展了實(shí)驗(yàn)和調(diào)查，并對最終的結(jié)果以及將可能帶來的新突破感到興奮不已。”Kunz說道。

“這同時也說明了我們的Rydberg傳感器和當(dāng)今市面上的天線/接收器技術(shù)之間存在著巨大差異。”

Rydberg接收器有幾個優(yōu)點(diǎn)，包括能夠在從DC到THZ（0到1,000,000,000,000,000Hz）的任何頻率上工作、與光學(xué)技術(shù)自然地相結(jié)合，以及在不吸收能量的情況下檢測電磁場。Kunz認(rèn)為，傳統(tǒng)天線在未來很長一段時間內(nèi)仍會使用，“但我們這種獨(dú)特的基于原子的天線在某些情況下可能會被用來彌補(bǔ)傳統(tǒng)天線的弱勢，甚至作為一種替代方案”。

“由于基于原子的天線研究具有前沿性，這些技術(shù)將會隨著時間的推移而不斷發(fā)展、改進(jìn)和完善，未來也會以更強(qiáng)大和更經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)?！盞unz解釋說道，“最初，只有真正需要這種性能水平并有能力開發(fā)它們的客戶才會采用，換言之政府和國防機(jī)構(gòu)才具有這種需求。”

“但我們可以把它與GPS的發(fā)展相類比，隨著系統(tǒng)和技術(shù)變得更加完善和更加經(jīng)濟(jì)，它們將會滲透到整個社會，并最終改變我們每天的運(yùn)作方式。”

2018年10月，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室對外公布，將利用里德伯原子（Rydberg atom，一種被激發(fā)到高能級的原子），開展電場傳感器和通信接收器的工作（圖片來源：美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室）

量子光源前途光明

Kunz團(tuán)隊(duì)的另一研究領(lǐng)域是量子光源，這不同于其它研究，因?yàn)樗饕塾诳捎糜谠S多潛在技術(shù)的“非常基本的構(gòu)件模塊”。目前預(yù)想中的應(yīng)用程序與量子通信（安全通信）、量子模擬和量子計(jì)算有關(guān)。

“同樣，這個領(lǐng)域也是在科學(xué)研究的最前沿?！盞unz說道，“我們需要理解光學(xué)電路的幾何形狀（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）如何影響它們在量子力學(xué)水平上的操作，即一次只有一個光子。最吸引人的是，我們可以以一種魯棒性的設(shè)計(jì)方法來對抗其缺陷。”

對于像Kunz這樣的科學(xué)家來說，傳感器的全面優(yōu)化，無論是軍用還是民用，都需要將靈敏度和信噪比提高到自然規(guī)律規(guī)定到的理論最大值。

“隨著激光技術(shù)的進(jìn)步以及我們控制和探測原子的能力，我們現(xiàn)在能夠在更多的系統(tǒng)中以一種穩(wěn)健和經(jīng)濟(jì)的方式來實(shí)現(xiàn)最佳性能?！盞unz說道，“這就是為什么我們開始看到越來越多的這類器件（如量子傳感器），從科學(xué)實(shí)驗(yàn)室投入到實(shí)際應(yīng)用中，供軍事和民用市場使用。”

Kunz表示，雖然預(yù)測未來的風(fēng)險(xiǎn)是眾所周知的，而且每種傳感器或技術(shù)的開發(fā)時間跨度都有很大不同，但是我們已經(jīng)開始看到量子技術(shù)如何能夠提供戲劇性的結(jié)果，最終改善國防軍隊(duì)的裝備。“量子計(jì)算的科學(xué)步伐正在加快，并將持續(xù)加快?！盞unz總結(jié)道。