美军最新量子战场装备:不使用GPS也可定位!

2020-10-19 14:06:51 来源:EETOP综合
近日,政治局集体学习了量子科技。国家领导人明确指出,当今世界正经历百年未有之大变局,科技创新是其中一个关键变量。我们要于危机中育先机、于变局中开新局,必须向科技创新要答案。要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋。

在量子通信方面我国应该已经位于世界前列,但我们也应该看到美国等先进国家量子应用的已经逐步应用于战场的现实,以便知己知彼、百战百胜。今天以量子定位为例介绍一下美军的量子战场装备。

先讲讲什么是量子定位

量子定位系统(Quantum Positioning System, QPS) 概念最早是于 2001 年由美国麻省理工学院(MIT) 电子学研究实验室从事博士后研究的 Giovannetti Vittorio 博士、 Mac-cone Lorenzo 博士与从事量子计算和量子通信研究的机械工程学教授 Lloyd Seth 在他们发表的一篇名为《Quantum- Enhanced Positioning and Clock Synchronization》 文章中提出的。

在上一节对传统定位系统的定位原理和存在问题的分析中已经指出,卫星导航通过向在轨卫星发射电磁波脉冲并检测信号到达接收机的时间延迟来实现定位的方式导致了伪距误差。与卫星导航采用的电磁波信号不同, QPS 的测距信号是具有量子特性的脉冲信号, 这种信号是由没有电荷和质量的光子组成。通过量子理论与量子力学,我们知道光量子具有奇特的量子纠缠和量子压缩特性。

目前主要发展的两种量子导航定位系统有星基量子导航系统和量子惯性导航系统。

MIT 的 Giovannetti V 博士最早提出的脉冲式量子定位思想可以通过下面的理性化实验结构示意图进行说明。

理想化实验结构示意图

图中 Alice 作为待测点,Detectors 是由已知不同位置的 M 个检测器组成的信号接收点,在实验过程中, Alice 向每一个检测器发送相同频谱(脉冲的带宽)以及功率(每个脉冲所包含的光子数 N)的脉冲,因此各组脉冲具有频率纠缠性及强相关性,通过测量信号到达各检测器的平均时间可以获取待测点 Alice 的具体位置。在相同的理想通信通道中, M 个检测器记录下的到达时间具有相互纠缠特性,这为平均时间的计算提高了√M倍精度,提升因子√M是与相同带宽条件下的非频率纠缠脉冲相比得到的;每组脉冲均包含了 N个纠缠态光量子,在测量时可以获得√N的精度提高,提升因子√N是与量子数目同样为 N 的经典相干态下的脉冲相比得到的;由此可知,在 Alice 端发射 M 组频率相互纠缠且结合了光子压缩的脉冲信号进行关联测量,综合后最终可获得√MN 倍的精度提高。

自 MIT 提出脉冲式量子定位以来,作为导航系统中重要的定位、 授时功能的体现, 基于量子纠缠及量子压缩特性的光子脉冲测距和测时等相关研究就不断被报道。

2002 年, Giovannetti V 博士在提出 QPS 概念的同时,设计并验证了基于量子时钟同步消色散的“Conveyor belt clock synchronization”方案, 证明在光量子可能传播的一般条件下,时钟的同步性不受分散介质存在的干扰,提高了量子定位精度。

2004 年美国马里兰大学 Valencia A 等人报告了一项关于远距离二阶关联时钟同步的验证实验,通过半波片改变 BBO 晶体制备出的纠缠态光源中的信号光和闲置光的方向,经过不同光纤路径,得到不同传输路径的精确时间差,最终得到皮秒级高精度时域。

2008 年, Villoresi P 等人建立了从低轨道(LEO) 卫星到地球上接收机的量子通信信道,用以研究发射脉冲的光学损耗和定时问题, 通过链路预算方程,得到单向链路损耗预计低于 20dB, 从而实现单光子信道的状态,在实验基础上明确地证明了基于卫星的量子通道的可行性。

2011 年, Ben-Av R 等人在发表的文章中指出量子时钟只有在 N 粒子限制在 W 态的情况下才能实现真正同步,并引入 W 的泛化状态——Z 态,设计出一个最优化的多方位量子时钟同步方案,但方案中 W 态的制备太过困难,目前未能实现。

2012 年, Lopez-Mago D 等人利用迈克尔干涉仪对共线下转换光子对的干扰进行了完整描述,在试验中,通过改调整干涉仪中反射镜的位置与角度来改变纠缠光子对的传输路径,经过偏振分束器与带通滤波器的分析计算,得到相干长度达到 3.3m。

以上所列举的基于量子力学理论建立的量子导航定位系统与传统卫星导航类似,需要发射信号来实现用户的四维坐标的定位,所不同的是 QPS 采用的是相干关联的量子信号, 仍旧属于有源定位系统。此外,上文提到的另一种基于量子惯性器件实现导航的量子定位系统,与传统惯性导航系统类似,靠自身惯性器件实现姿态调整与定位,不需要从在轨卫星实时接收信号进行测距和授时,属于无源定位系统。

该无源量子导航系统与传统的惯性导航系统在结构上基本一致, 如图所示, 主要由三维原子陀螺仪、三维原子加速度计、原子钟和信号采集及处理单元四部分构成。

量子惯性导航系统

而作为惯性导航中的最重要的组成部分,原子陀螺仪与原子加速度计的研究目前是最受关注的,陀螺仪性能的优劣可以通过其零度漂移与角速度灵敏度大小作为衡量标准。与传统陀螺仪测量方式不同,量子干涉陀螺仪基于原子的 Sagnac 效应, 冷原子团以相反方向沿着相同的抛物线轨迹形成冷原子束,在拉曼激光刺激下,形成干涉环路,由于双环路原子干涉相移差的一半即为旋转速率引起的相移,进而可以提取旋转速率,其中零偏漂移理论值远低于传统陀螺仪几个数量级。原子加速度计的精确测量同样是利用原子的 Sagnac 效应实现的,因此其发展轨迹与原子陀螺仪几乎一致。除干涉陀螺仪之外,利用碱金属原子自旋的拉莫尔进动可以实现角速度的传感,这类陀螺仪称之为原子自旋陀螺仪。

在原子自旋陀螺仪研制方面,美国在此领域独树一帜,在 2007 年美国 Northrop Grumman 公司研制出了第一台核磁共振陀螺仪样机,经过 2010 年和 2012 年两次对样机进行改进,其零偏漂移优于 0.05° /h。下图简单表示了核磁共振陀螺(NMRG)的工作原理,通过腔室中碱金属与惰性气体自旋交换光泵浦获得净磁矩, 拉莫尔频率为ωXe , 当装置转动时其进动频率为ωL,其值为ωXe+ ωL,之后通过观测可得角速率ωR 。

核磁共振陀螺的原理

我国量子定位现状

目前, 我国在原子自旋陀螺仪的研制方面进展比较快, 北航楚忠毅等人利用原子自旋陀螺仪核自旋磁场自补偿动力学方程和仿真实验,开发了稳定性好、实时性强的原子自旋陀螺仪核自旋磁场自补偿系统,可实时有效地跟踪核自旋磁场自补偿点;周斌权等人制备了具有磁场噪声抑制作用的异形加热膜,使高频正弦波作为加热驱动信号,构建了碱金属气室集成化无磁电加热单元。

经验证,系统的等效磁场噪声优于 17 f T/Hz1 /2,气室内部的温度稳定度优于 ± 0.006 ℃,为原子自旋陀螺仪的性能提升提供了可靠保障;2017 年, 为了进一步提高核磁共振陀螺仪(NMRG) 的灵敏度水平,对线性光旋转角度检测进行误差分析和实验研究。通过理论分析和实验说明,发现消光比σ2 和直流偏置是差分检测方法中产生检测噪声的因素。

中国航天科工三院 33 所秦杰等人在 2016 年取得了巨大突破, 项目组攻克了核自旋-电子自旋耦合极化与检测等精密量子操控技术, 研制成功我国首个基于量子技术的核磁共振陀螺原理样机, 样机零偏漂移优于 2°/h, 使得我国成为世界上继美国之后第二个掌握该技术的国家, 进一步缩小了与美国的技术差距。

在 2017 年针对线圈的磁场均匀性下降这一问题,提出了磁场等效增益系数,模拟磁屏蔽边界对线圈磁场的影响,据此建立了磁屏蔽边界条件下高均匀磁场线圈模型,优化了线圈参数。此外, 国防科技大学易鑫等人, 西安飞行控制所李攀等人分别从原子气室温度控制和陀螺仪多层磁屏蔽罩结构等方面为核磁共振陀螺仪的整体设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。

美军的量子战场装备情况

(以下内容为 知远战略与防务研究 编译) 

目前,美军已经将量子技术广泛运用于战场准备。为此,我们推出美国陆军《信号》杂志6月号刊发的美国陆军研发量子战场装备情况,供大家参考。文章为知远战略与防务研究所王克格编译。

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。

陆军研究实验室的科学家们坚信,量子应用能够增强陆军的作战能力,并为这些作战能力带来革命性的变化。“但是,让我们更兴奋的是对未知问题的探索,”他说。“我们要发现新奇的事物,发现新奇的方法为我们的战士提供保护并赋予他们能力,如果我们的研究工作只是因循守旧,墨守常规,那么发现这些事物和方法就会成为一句空话。”

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