導讀

在當前全球戰略競爭日趨激烈的環境下，量子傳感在下一代定位、導航和授時（PNT）中的應用已經成為國家安全的關鍵要素。近日，新美國安全中心（CNAS）發布最新研究報告，深入剖析了量子傳感在應對GPS脆弱性方面的潛在優勢與技術挑戰，并著重評估了美國量子傳感生態系統現狀。本期我們將重點為大家介紹量子傳感的獨特優勢。

長期以來，美國研發的全球定位系統（GPS）一直是全球定位、導航與授時（PNT）服務的核心支撐。然而，其自身固有的脆弱性正逐漸暴露，面臨的威脅也與日俱增。一方面，對手的干擾和欺騙能力不斷增強；另一方面，針對衛星的直接攻擊風險也在上升。

GPS所受干擾已對軍事行動造成了嚴重影響，甚至導致每天數千架次商業航班中斷。一旦遭遇更廣泛的攻擊，極有可能引發災難性的任務失敗，導致關鍵基礎設施大面積癱瘓，進而造成每天超過10億美元的經濟損失。

面對傳統PNT服務所遭遇的日益加劇的威脅，量子傳感器呈現了一種極具吸引力的替代選擇。這些設備利用原子的穩定特性，能夠提供極高的測量精度、長期準確性，并且在受干擾環境下依然能夠可靠運行。量子傳感器有望在未來幾年內提升美國PNT系統的韌性，其應用范圍涵蓋潛艇、無人機和彈藥的導航，以及電信網絡、電網和金融系統的同步。

量子傳感的獨特優勢

——下一代PNT的基石

量子傳感器利用原子精確不變的能級結構實現高精度測量。當原子吸收或發射光子時，會以極其穩定的頻率在能級間躍遷，這種“原子共振”現象使量子傳感器具備卓越的長期準確性和穩定性，大大減少傳統傳感器的累積誤差和頻繁校準需求。

1. 新一代原子鐘：精度再突破

微波原子鐘現狀

• 已成為GPS系統核心，構成國際時間單位“秒”的定義基礎

• 美國實現顯著小型化：芯片級原子鐘(CSAC)縮小到鑰匙扣大小

• 廣泛應用于GPS衛星、電信、數據中心和軍事設備

光學原子鐘革命

• 利用可見光頻率，每秒數百兆次躍遷，精度遠超微波鐘

• 目前公文包大小的光學原子鐘已商業化，在軍事平臺成功演示

• 美國公司預計未來幾年推出磚頭大小原型

• 關鍵技術：小型化光學頻率梳的并行發展

美國海軍在環太平洋演習中測試量子時鐘與重力儀

在2022年環太平洋（RIMPAC）演習期間，美國海軍成功測試了Vector Atomic公司的光原子鐘和原子重力儀。這些設備被安裝在艦船上，展現了在海上環境下穩定運行的強大能力。其中，光原子鐘在性能上甚至超越了氫原子鐘，而原子重力儀則在無額外穩定硬件的“慣性捆綁”配置下自主運行了21天。

2. 量子慣性傳感器：擺脫信號依賴

傳統慣性導航系統(INS)存在漂移累積誤差，需頻繁GPS校準。量子慣性傳感器通過捕獲原子運動微小變化，顯著減少誤差傳播。

主要技術路線

原子干涉儀

利用原子波粒二象性測量慣性力。冷原子版本——更高靈敏度；暖原子版本——更高帶寬，設計更簡單，已通過空間認證。

NMR陀螺儀

利用原子核自旋特性，對振動加速度不敏感，目前厘米級原型已問世。量子傳感器可以最小化測量誤差和漂移，減少定期校準的需求，與經典傳感器集成后可在GPS拒止環境中實現更強大的導航解決方案。

太空展望：DIU推動原子陀螺儀在太空中的演示

國防創新單元（DIU）正在積極推進將原子陀螺儀送入太空進行測試。原子陀螺儀作為一種量子慣性傳感器，可能在長時間運行中保持極高的精度和穩定性，遠超傳統慣性測量單元。在太空環境中驗證其性能，將為未來衛星和航天器在GPS受限區域的自主導航提供革命性的解決方案。

3. 量子重力計和磁力計：隱蔽絕對定位

重力輔助導航(GravNav)

• 適用于海洋環境，測量地球引力場微小變化

• 美國公司與海軍研究辦公室合作，成功演示冷原子干涉儀重力計海上21天自主運行

• 對核潛艇等軍事平臺意義重大：可將慣性漂移誤差從數英里限制到數百米

磁異常輔助導航(MagNav)

• 用于機載平臺，包括載人、無人和武器系統

• 傳統原子磁力計：銫和銣蒸汽電池版本已小型化到厘米級，應用數十年

• 新興固態磁力計：基于金剛石氮空位(NV)中心，更適合光子集成，單設備提供磁場方向信息

核心優勢：

• 被動傳感，保持隱蔽操作

• 難以干擾或欺騙

• 適用于所有地形和天氣條件

• 除PNT外，還可探測隧道、偽裝車輛、資源儲量等

空中突破：空軍成功在飛行中首次以磁異常導航作為主要導航源

美國空軍研究實驗室（AFRL）在飛行中成功演示了磁異常導航（MagNav）作為主要導航源的能力。此前，這項技術通常被認為是GPS的輔助或備用方案。通過結合量子磁力計對地球磁場的精確測量，飛機可以在GPS信號不可用或受到干擾的情況下，依然實現可靠的定位。這對于提升空軍在復雜電磁環境下的作戰韌性至關重要，特別是對于需要隱蔽行動的空中平臺。

4. 發展前景與挑戰

量子傳感器在性能和體積重量功耗成本(SWaP-C)方面進展顯著，但仍面臨技術障礙：惡劣環境下量子態穩健性保持；不犧牲性能前提下的進一步小型化和集成。實現量子傳感器潛力需要強大創新生態系統，包括持續研究、戰略投資和協調政府舉措。

>End

本文轉載自“稻香湖下午茶”，原標題《當導航不再依賴衛星：美軍如何用量子傳感重構“未來戰爭”底層邏輯》。

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