吳 勇 劉則洋

(陜西省計(jì)量科學(xué)研究院 陜西西安 710100)

量子計(jì)量學(xué)是各個(gè)國(guó)家重視的量子學(xué)發(fā)展最主要方向。最近這些年，是各種量子探測(cè)科學(xué)領(lǐng)域中，發(fā)展較快，研究最重要的方向之一。量子計(jì)量學(xué)的基本物理原理和現(xiàn)象分析來測(cè)量常規(guī)學(xué)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等一系列功能，如檢測(cè)、距離測(cè)量、定時(shí)、定位和成像。為了使用量子糾纏、量子不確定性和其他量子物理原理和現(xiàn)象，量子計(jì)量可以打破現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)（如散粒噪聲極限、Rayligh極限等）的精確極限及其測(cè)量精度。測(cè)量距離和靈敏度大大提高了以往的測(cè)量系統(tǒng)。近年來，隨著研究的深化，量子計(jì)量的研究趨勢(shì)有了飛躍性的進(jìn)展，量子信息學(xué)的研究成果被導(dǎo)入到量子計(jì)量領(lǐng)域。檢測(cè)能力是早期警戒飛機(jī)的核心戰(zhàn)斗能力之一。作為一個(gè)復(fù)雜的大規(guī)模信息采集系統(tǒng)，量子計(jì)量技術(shù)將帶來現(xiàn)有早期預(yù)警飛機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的重要變化，其應(yīng)用大大提高了預(yù)警飛機(jī)的核心能力[1]。

一、量子計(jì)量技術(shù)主要應(yīng)用

（一）量子導(dǎo)航技術(shù)

以網(wǎng)絡(luò)為中心的戰(zhàn)爭(zhēng)（NCW）系統(tǒng)需要利用確切時(shí)間數(shù)據(jù)和空間節(jié)點(diǎn)在戰(zhàn)斗平臺(tái)中進(jìn)行信息合作。作為空中的重要核心節(jié)點(diǎn)，預(yù)警飛機(jī)（AWACS）在檢測(cè)、命令來確定檢測(cè)需要的正確定位和其他導(dǎo)航信息。目前，衛(wèi)星導(dǎo)航（gps）和慣性導(dǎo)航是最常用的兩種導(dǎo)航方式。然而，戰(zhàn)斗的持續(xù)進(jìn)行，很多缺陷也暴露在大家眼前。首先，中國(guó)構(gòu)筑了Beidou衛(wèi)星系統(tǒng)，但Beidou系統(tǒng)不完善，所以GPS導(dǎo)航信息可能會(huì)被其余國(guó)家探測(cè)到，但GPS是美國(guó)研究并控制在手的，顯然不能用于戰(zhàn)爭(zhēng)。第二，在電子信息戰(zhàn)爭(zhēng)的不斷發(fā)展中，GPS、等一系列偽裝技術(shù)逐漸成熟，很多信息傳輸也逐漸不安全，第三很多導(dǎo)航系統(tǒng)都會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。第四，在復(fù)雜地理環(huán)境中，衛(wèi)星導(dǎo)航信息不可用。目前，光學(xué)陀螺儀廣泛用于飛機(jī)安裝慣性導(dǎo)航裝置×10-4系統(tǒng)的精度比傳統(tǒng)的機(jī)械式回轉(zhuǎn)儀高（精度為10-1，這是非常改善的）。近年來，歐美各國(guó)認(rèn)識(shí)到現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)存在的問題，開始發(fā)展新的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。量子導(dǎo)航技術(shù)是最有希望的新導(dǎo)航技術(shù)之一。國(guó)防高等研究計(jì)劃廳（DARPA）、USAF科學(xué)咨詢委員會(huì)（USAF）和英國(guó)Defense Technology研究所設(shè)定了所有相關(guān)項(xiàng)目，對(duì)量子導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了徹底的研究。目前，量子導(dǎo)航的主要技術(shù)方法是冷原子干涉和超流動(dòng)[2]。

（二）冷原子干涉陀螺

如今，冷原子陀螺精度不斷提高，冷原子干涉儀的操作原理與光干涉儀的操作原理非常相似，只有光學(xué)干涉儀的激光器被冷原子取代。在諧振行波激發(fā)之后，超精細(xì)低能量狀態(tài)的原子態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌?xì)高能態(tài)。用途π/2→π→π/2在分裂并移位之后，原子波再次收斂到傳感器，成為干擾和測(cè)量結(jié)果（如圖1所示）。與光學(xué)干涉儀相比，冷原子干涉儀的通量和包絡(luò)區(qū)域較低。然而，由于de brogle波，冷原子干涉儀的相位分辨率和頻率分辨率比傳統(tǒng)光學(xué)干涉儀的相位分辨率高得多。與基于超流動(dòng)原理的量子陀螺相比，基于冷原子干擾理論的量子陀螺在工程中更容易實(shí)現(xiàn)。目前，DARPA已經(jīng)開始了基于低溫原子干擾原理的三個(gè)導(dǎo)航工程。水蛇（高動(dòng)態(tài)范圍原子傳感器）、C-掃描（芯片組合原子導(dǎo)航）、量子輔助感測(cè)及讀出（量子輔助感及讀出）USAF科學(xué)咨詢委員會(huì)為了基于光脈沖AI和鏈條（導(dǎo)航用小型高性能原子干涉儀）的慣性導(dǎo)航，作為緊湊的陀螺/accel也執(zhí)行了這樣的項(xiàng)目。2015年的三個(gè)新研究項(xiàng)目例如冷原子干擾導(dǎo)航技術(shù)。同時(shí)，在各種研究領(lǐng)域也進(jìn)行了大量計(jì)算和資金投入，尤其是美國(guó)極其重視這些方向的投入和發(fā)展，改善冷原子干擾陀螺技術(shù)。目前，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的低溫原子干擾導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)有了很大的進(jìn)展并取得不小成效。未來還想在激光冷卻、原子捕獲和甚至其余技術(shù)中獲得重大突破。然而，為了實(shí)現(xiàn)冷原子導(dǎo)航裝置的實(shí)際應(yīng)用，有必要進(jìn)一步降低系統(tǒng)的體積，重量和耗電，并進(jìn)一步提高系統(tǒng)集成。

圖1 冷原子干涉原理圖

圖2 超流體原理圖

二、量子導(dǎo)航技術(shù)對(duì)預(yù)警機(jī)作戰(zhàn)模式的改變

與傳統(tǒng)的陀螺技術(shù)相比較來看，高精度的量子陀螺旋轉(zhuǎn)技術(shù)、更新層次的接入網(wǎng)絡(luò)、抵抗外部環(huán)境干擾。各種量子信息技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，陀螺儀旋轉(zhuǎn)功能也快速發(fā)展，并且對(duì)提高現(xiàn)有的早期警報(bào)器的能力是實(shí)際重要的。量子陀螺的應(yīng)用大大提高了預(yù)警飛機(jī)今后的戰(zhàn)斗能力，并使預(yù)警飛機(jī)的變更模式的使用形態(tài)如下。Beidou和其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將被完全替換。早期預(yù)警飛機(jī)對(duì)戰(zhàn)斗環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)一步增強(qiáng)，復(fù)雜環(huán)境（復(fù)雜地形，復(fù)雜氣候，復(fù)雜的電磁環(huán)境等）下的戰(zhàn)斗能力大大提高。早期警戒系統(tǒng)快速發(fā)展，例如beidou和其他衛(wèi)星偽裝技術(shù)有了很大的突破，相關(guān)領(lǐng)域的電子戰(zhàn)模式發(fā)生了很大變化。早期預(yù)警飛機(jī)的時(shí)間、姿勢(shì)、速度、位置、導(dǎo)航信息的精度大幅提高（量子陀螺的精度可達(dá)到10-9°/H～10-7°/H），由于導(dǎo)航信息是AWCS的每個(gè)子系統(tǒng)的基準(zhǔn)，因此AWACS的檢測(cè)精度、命令精度和網(wǎng)絡(luò)通信性能大大提高。除了獲得各種信息數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行地形探測(cè)。因此，相應(yīng)的設(shè)備可以安裝在其他民間任務(wù)中，以發(fā)揮早期預(yù)警飛機(jī)的作用[3]。

三、結(jié)束語

作為一個(gè)大規(guī)模的復(fù)雜信息系統(tǒng)，量子計(jì)量的發(fā)展必然對(duì)現(xiàn)有的性能和系統(tǒng)有很大的影響。量子計(jì)量技術(shù)對(duì)于現(xiàn)有的測(cè)量系統(tǒng)的巨大優(yōu)點(diǎn)還破壞性地提高了預(yù)警飛機(jī)的戰(zhàn)斗能力，改變了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)爭(zhēng)的現(xiàn)有概念。在量子計(jì)量技術(shù)的沖擊下，改變現(xiàn)有的戰(zhàn)斗模式和系統(tǒng)，在新的戰(zhàn)斗系統(tǒng)下發(fā)揮智能站和命令控制中心的作用，將對(duì)應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)術(shù)公式化應(yīng)該是將來應(yīng)用的重點(diǎn)。新興發(fā)展中國(guó)家，如何最大限度地利用逆向優(yōu)勢(shì)，增加量子計(jì)量領(lǐng)域的科學(xué)研究投資，轉(zhuǎn)變?yōu)榻窈髧?guó)家戰(zhàn)略水平的優(yōu)勢(shì)，是在下一階段應(yīng)該討論的重要課題。