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(wú)論是提供高度精確的定位數(shù)據(jù)，還是探測(cè)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(guó)陸軍科學(xué)家探討了未來(lái)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(shí)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(lái)，只需量子傳感技術(shù)就可提供慣性導(dǎo)航，從而減少對(duì)干擾GPS（全球定位系統(tǒng)）信號(hào)的依賴

量子力學(xué)徹底改變了科學(xué)，探索了無(wú)法用經(jīng)典物理定律解釋的現(xiàn)象。這門(mén)學(xué)科誕生于20世紀(jì)初對(duì)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€(gè)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(méi)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(gè)或多個(gè)量子比特（quantum bit，縮寫(xiě)qubit）處于糾纏態(tài)時(shí)，對(duì)其中一個(gè)量子比特做任何改變時(shí)，另一個(gè)會(huì)立刻做出相應(yīng)改變。

這些通常被稱為量子的“反直覺(jué)”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(jué)的自然特性來(lái)測(cè)量時(shí)間、磁場(chǎng)、重力或加速度等?！泵绹?guó)陸軍研究實(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(huì)通過(guò)振蕩鐘擺來(lái)測(cè)量時(shí)間，但是像銫（Cs）原子這樣的小粒子會(huì)產(chǎn)生電子，然后這些電子可以以特定的頻率來(lái)控制振動(dòng)。”

是時(shí)候做出改變了！

銫可用于原子鐘內(nèi)，它為國(guó)際單位制（International System of Units）中“秒”的定義提供了主要標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，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(jià)格低廉，依然被市場(chǎng)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?！盞unz說(shuō)道，“這些反直覺(jué)的特性在計(jì)時(shí)和定位方面應(yīng)用很廣，比如GPS。同時(shí)，它們還用于可以探測(cè)潛艇或彈藥的磁力計(jì)中?！?/p>

量子傳感器也可以直接測(cè)量加速度或旋轉(zhuǎn)速率，從而確定拒絕GPS信號(hào)的位置，但目前來(lái)說(shuō)，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(lái)意想不到的功能?！?/p>

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(duì)安全”的環(huán)境中（因?yàn)榱孔颖忍叵到y(tǒng)無(wú)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(guó)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(cè)量的量子傳感器原型（圖片來(lái)源：美國(guó)宇航局）

量子傳感可以用來(lái)探測(cè)水下金屬物體，如地雷或潛艇，現(xiàn)在美國(guó)和中國(guó)都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)更精確的反潛傳感器（圖片來(lái)源：美國(guó)海軍）

Rydberg原子實(shí)現(xiàn)新突破

2018年10月，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室對(duì)外公布，將利用里德伯原子（Rydberg atom，一種被激發(fā)到高能級(jí)的原子），開(kāi)展電場(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和調(diào)查，并對(duì)最終的結(jié)果以及將可能帶來(lái)的新突破感到興奮不已?！盞unz說(shuō)道。

“這同時(shí)也說(shuō)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(gè)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(cè)電磁場(chǎng)。Kunz認(rèn)為，傳統(tǒng)天線在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍會(huì)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(huì)被用來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)天線的弱勢(shì)，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(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷發(fā)展、改進(jìn)和完善，未來(lái)也會(huì)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(shuō)道，“最初，只有真正需要這種性能水平并有能力開(kāi)發(fā)它們的客戶才會(huì)采用，換言之政府和國(guó)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(huì)滲透到整個(gè)社會(huì)，并最終改變我們每天的運(yùn)作方式?！?/p>

2018年10月，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室對(duì)外公布，將利用里德伯原子（Rydberg atom，一種被激發(fā)到高能級(jí)的原子），開(kāi)展電場(chǎng)傳感器和通信接收器的工作（圖片來(lái)源：美國(guó)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?；镜臉?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(gè)領(lǐng)域也是在科學(xué)研究的最前沿?！盞unz說(shuō)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?cè)诹孔恿W(xué)水平上的操作，即一次只有一個(gè)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(lái)對(duì)抗其缺陷?！?/p>

對(duì)于像Kunz這樣的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，傳感器的全面優(yōu)化，無(wú)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(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)最佳性能?！盞unz說(shuō)道，“這就是為什么我們開(kāi)始看到越來(lái)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(chǎng)使用。”

Kunz表示，雖然預(yù)測(cè)未來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)是眾所周知的，而且每種傳感器或技術(shù)的開(kāi)發(fā)時(shí)間跨度都有很大不同，但是我們已經(jīng)開(kāi)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(guó)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。