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量子计量技术在预警机中的应用
本文由信息与电子前沿（
ID
：
caeit-e
）授权转载，发表
于《中国电子科
学研究院学报》
，作者：冯博
张雪松
贾延
延（中国电子科学研究院）量子计量学是由量子力学和计量
科学交叉而产生的一门新兴学
科，是近年来量子科学领域发
展最为迅猛、工程应用化程度最高的研究方向之一。量子计
量学主要是通过运用量子物理学的一些基本原理及现象实
现感知
、测距、计时、定位以及成像等一系列传统计量科学
的功能。由于利用了量子纠缠、量子
不确定性等量子物理的
原理及现象，量子计量学可以打破现有计量体系的精度极限
(
如散粒噪声极限、瑞利极限等
)
，其测量精度、测量距离以
及灵敏度等都将较传统测量体系有着极大地提升
。近几年随
着研究的不断深入，量子计量学的多个研究方向都取得了突
< br>破性的进展，量子信息学中的一些成果也被引入到量子计量
学领域中。探测能力是
预警机最核心的作战能力之一，作为
复杂的大型信息获取系统，量子计量技术必然会使现
有的预
警机探测体系产生重大的变化，其应用也必然会使预警机的
核心能力产生极大地提升。本文从量子导航、量子雷达及量
子成像等三个领域讨论了量
子计量技术在预警机系统中的
可能应用，并探讨了由此而引发的预警机作战能力提升及作
战方式的可能改变。
1
、量子导航网络中心战体系需要各作战平台间具有准确的
时间、空间信息协同
，而预警机作为空中核心节点，在执行
探测、指控以及通信任务的过程中需要平台自身准
确的定
位、定姿、定时等导航信息。目前预警机系统中最主要的导
航方式有卫星导航
(GPS)
及惯性导航两种，但随着战场局
势
的不断变化，现有导航系统的缺陷逐渐暴露了出来首先，虽
然
我国已经建成北斗卫星系统，但由于北斗系统尚未完善，
某些情况下仍需要应用
GPS
导航信息，而
GPS
是由美国军
方控制的，在战争条件下显然无法使用；第二，随着电子战
技术的不断发展，针对
GPS
、
COMPASS
等星载导航信号的
欺骗技术逐渐成熟，未来
战场中的星载导航信息将不再可
靠；第三，现有的星载导航系统受外界环境影响严重，在
复
杂的电磁、地理环境下，星载导航信息均可能无法获取；第
四
，现有惯性导航系统精度偏低。目前在机载惯导系统中普
遍采用光学陀螺仪
(5
×
10-4
°
/h)
，其精度虽然较传统的机械
陀螺仪
(
精度为
10-1
°
/h)
有较大提高，但仍然无法满足现有
作战体系对于导航精度需求。近年来，西方国家已经意识到
现有导航系统所存在的问题
，并相继展开了对新型高精度惯
性导航系统的研究，而量子导航技术是目前最有发展潜力
的
新型导航技术之一。美国国防先期研究计划局
(Defens
e
Advanced Research Projects Agency, DA
RPA)
、美国空军科学
顾问委员会
(
USAF Scientific Advisory Board)
以及英国国防科<
/p>
技实验室均针对量子导航技术成立了相关项目并开展了深
入研究，
目前量子导航所采用的技术途径主要有冷原子干涉
及超流体两种。
（
1
）冷原子干涉陀螺冷原子干涉仪的理论基
础是量子力学中物质波的
Sagnac
效应。
1991
年，四个不同
的科研小组分别独立地实
现了原子干涉实验，第一台原子陀
螺仪也于同年由
F
Riehle
等人利用
Ramsey-Borde
干涉仪研制
成功。到
2000
年时，量子陀螺仪的精度已经超过传统陀螺
仪。冷原子干涉仪的工作原理与光学干涉仪
非常类似，仅是
将光学干涉仪中的激光替换为冷原子。通过共振行波激发
后，处于超精细低能态的原子态将跃迁到超精细高能态。用
π
< br>/2
→
π
→
π
/2
的激光序列顺序激发冷原子束，原子波在分
裂、偏移后重新汇合到传感器中，从而产生干涉并实现测量
(
如图
1
所示
)
。相对于光学干涉系统，冷原子干涉系统的通
量和包络面积较低，但由于采
用了德布罗意波，冷原子干涉
仪的相位分辨能力和频率分辨仍远高于传统光学干涉仪。<
/p>
相对于基于超流体原理的量子陀螺，基于冷原子干涉理论的
量子陀螺在工程化角度更容易实现。目前，
DARPA
从不同
的应用角度分别启动了
HIDRA
(High Dynamic Range Atomic
Sensors)
、
C-SCAN
(Chip-Scale Combinatorial Atomic
Naviga
tor)
以及
QuASAR (Quantum-
Assisted Sensing and
Readout)
等三项基于冷原子干涉原理导航的课题，美国空军
科学顾问委员会
（
USAF Scientific Advisory
Board
）
也开展了
Compact
Gyro/Accel for Inertial Navigation Based on Light
Pulse AI
以及
CHAIN
(Compact High performance Atom
Interferometer for Navigation)
等课题，其在
2015
年新开展的
三大研究课题中也包含冷原子干涉导航技术。同一时期在一
个研究领域中投入如此大的关
注及投入足以证明美国政府
及军方对冷原子干涉陀螺仪技术的重视。目前，冷原子干涉<
/p>
导航技术已经在实验室环境取得了较大的进展，激光冷却、
原子捕
获等关键技术都取得了突破。但要实现冷原子导航设
备的实际工程应用还需要进一步减小
系统的体积、重量及功
耗，其系统集成度也需要进一步的提高。
（
2
）超流体陀螺超
流体陀螺的理论基
础是物质在超低温条件下的超流体现象，
即在足够低的温度下液体的摩擦力将消失
(
约瑟夫效应
)
。超
流体陀螺最早由美国加州大学的
Richard Packar
d
及其课题组
在
1992
年提出，
最初采用的材料为
3He,
后由于其成本过于
昂贵且所需温度过低
(10-3K
)
而替代为
4He
。
< br>超流体陀螺的原
理如图
2
所示，
在带有小孔隔板的环形容器中充满超流体，
当容器发生逆时针转动时，隔板带动大部分的
超流体以
Ω
1
的角速度随之转动。由于
超流体的摩擦力几乎为零，根据能
量守恒定律，小孔处的超流体不会像通常的流体一样由
于粘
性力而发生随动，而是将产生一个顺时针的相对流速
Ω
2
，
可以看出
Ω<
/p>
2
与
Ω
1
呈线性放大的关系。在环形容器的外边
固定一个方腔，方腔中安装一个
柔性振膜，柔性振膜可以通
过静电作用驱动超流体在小孔处进行谐振运动，其位置可以<
/p>
由超导量子干涉仪（
Superconducting
Quantum Interference
Device
，
SQUID
）测量，从而计算出小孔中液体以及容器的
旋转速度。超流体的低粘滞系数使其具有非常好的惯性保持
能力及稳定性
，而这一特性可以很好地应用于惯性导航系统
之中。但由于相关研究开展相对较晚，在工
作原理设计、可
行性验证以及精度等级的确定等方面都存在尚未解决的技
术问题，
其工程化应用相对于冷原子干涉陀螺更加遥远。
（
3
）
量子导航技术对预警机作战模
式的改变相对于传统陀螺仪，
量子陀螺仪具有精度高、无需接入网络、不受外界环境干扰
等优势，在现有量子信息技术中量子陀螺仪的工程技术成熟
度也
相对较高，其对于现有预警机能力的提升具有非常大的
现实意义。量子陀螺的应用将使未
来预警机的作战能力产生
巨大的提升，也会使预警机的使用模式产生如下变化：
1)
预
警机的导航模式将从以卫星导航为主变为
以本平台惯导系
统为主，现有
GPS
、
北斗等卫星导航系统将被其彻底取代。
2)
预警机对于作战环境
的适应性将进一步加强，在复杂环境
(
如复杂地形、复杂气候、
复杂电磁环境等
)
下的作战能力将
大幅
提升。
3)
预警机导航系统的安全性将大幅提升，现有针
对
GPS
、北斗等星载导航系统的欺骗技术将
彻底失效，相关
领域的电子战模式将发生重大改变。
4)
预警机的时间、
姿态、
速度、
位置等导航信息精度将大幅提升
(
量子陀螺仪的精度可
达
10-9
°
/h~10-7
°
/h)
，
由于导航信息是预警机各分系统的基
准，预警机的探测精度、指控准确性以
及组网通信的性能均
会随之大幅提升。
5)
量子陀螺除可用于平台自身导航信息获
取外还可用于探测地磁变化，因此可在预警机
中安装相应的
设备，进一步发挥预警机在抢险救灾等民用任务中的作用。
2
、量子雷达量子雷达技术是近年来在量子计量领域
新兴的
一个重要研究方向，主要是利用光量子不同于经典电磁波的
物理特性实现对目标的准确测量。相对于基于传统电磁理论
的雷达，量子雷达不但具有
更高的灵敏度及探测精度，而且
具备更强的抗干扰和抗欺骗能力，量子雷达技术为隐身、
小
RCS
目标的准确探测提供了一种新的有效技术途径。
目前对
量子雷达的定义尚存在一些争议，一般认为量子雷达分为三
种，
即单光子量子雷达、
干涉式量子雷达以
及量子照射雷达。
单光子量子雷达的工作方式如图
3
所示，在发射端制备单光
子脉冲照射被测目标，经被测目标反射后被接收端
的光子计
数器接收。从原理上看，单光子量子增强雷达并非严格意义
上的量子雷达，其工作原理更接近于传统雷达。但相对于传
统雷达，单光子雷达可以
通过减少发射脉冲中光子数的方式
扩大被测目标的雷达反射面积
(Radar Cross Section, RCS),
从而提高雷达的灵敏度以及探测距离。
干涉量子雷达的原理与马赫
-
曾德尔干涉仪的原理类似，
相对
于单光子量子雷达，其对量子效应的应用更为彻底。在发射
端产生纠缠量子对
A
、
B
后，通过光子
B
照射目标，另一
个
光子
A
则留在发射机内。接收器捕获
到反射回的光子
B
后，
将其与留在发射
机内部的光子
A
进行符合测量并得到其相
关性，从而获取被测目标的准确位置信息
(
如图
4
所示
)
。由
于利用了量子纠缠的特性，干涉量子雷达继承了其非局域性
及高分辨率
(
超过标准量子极限
)
的特点，抗噪能力也更强。
研究表明，与没有采用纠缠光子的雷达相比，采用纠缠光子
的量子雷达的分辨率呈二次方增长，因此理论上干涉量子雷
达的
探测性能要优于单光子量子雷达。
量子照明雷达与干涉量子雷
达的系统组成类似，其区别在于
接收器获取反射回的光子后，不再进行相位测量，而是仅
作
光子数量检测。由于利用了量子纠缠效应，探测系统对于环
境
噪声以及传输衰减具有较强的抗干扰能力，探测灵敏度较
传统雷达有非常大的提高。量子
照明雷达与量子成像的原理
十分相似，其技术发展也是与量子照明技术紧密相连的，最<
/p>
早的量子照明现象就是在量子成像的相关实验中被发现的。
量子照
明雷达可以用于对目标测距或成像，相对于干涉量子
雷达其优势在于对发射波的频率没有
特定的要求，其数据处
理端的复杂性也更低。虽然量子雷达技术的成熟度尚不及量
子通信、量子计算等其他量子技术，但其工程化难度更低，
在理论上也
并不存在完全无法解决的技术瓶颈。早在
1991
年，美国海军
就申请了利用量子探测提高传统雷达探测灵敏
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