划重点
01美国防部正积极开展战略布局与应用量子传感技术，以提升现有武器装备性能并增强非对称能力。
02量子传感技术在美国防部的战略投资领域中占有重要地位，如战略资本办公室将为量子传感项目提供贷款或投资。
03美国防部聚焦六大技术方向，包括基于量子的时间测量技术、惯性测量技术、重力测量技术、电场测量技术、磁场测量技术和目标识别技术。
04量子传感技术在军事应用方面的主要方向包括增强定位、授时和导航能力、情报、监视、目标获取和侦察能力、战场通信能力和战时医疗效率。
05由于美国防部在量子传感领域的强势入局，全球量子传感技术和产业发展将受到深远影响。
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20世纪初，量子力学理论的出现和成熟引发了第一次量子革命，为人类社会带来了核能、半导体、激光、超导、磁共振成像、晶体管，也带动了原子弹、精确导航的发展，改变了世界战争面貌。21 世纪以来，随着量子物态调控技术的不断突破，第二次量子革命正式启幕，全球对量子计算、量子通信、量子传感三大量子技术方向的研究方兴未艾。当前，美国已敏锐捕捉到量子传感在国防领域的应用潜力，正积极开展战略布局与应用，将对全球军事、科技、产业的发展带来重大影响。
一、美国防部加速量子传感战略布局
美国防部谋求利用量子传感技术大幅提升现有武器装备性能，增强非对称能力。
一方面，将量子传感列入国防战略重点，重视程度不断提高。2002年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）发布《量子信息科学和技术发展规划》，并于2004年发布2.0版。2007年，DARPA将量子科技作为核心技术基础列入其战略规划。在2015年设定的战略投资领域中，量子物理学成为DARPA三大技术前沿之一。2022年，美国国防部在《国防战略》报告中指出，量子科学在武器装备中的应用将改变军事冲突形势，建议开展对相关技术的投资。2023年，美国防部在《国防科技战略》中将量子科学列为14项关键技术领域之一。可见，美国防部不断加大对量子技术军事化应用的重视。然而，由于实用、容错、通用的大型量子计算机仍需大约十年时间，量子通信也面临诸多技术挑战且在主要武器系统的作战效用有限，考虑到技术紧迫性和军事效用，美国防部认为技术成熟度最高的量子传感将是短期内最可能实现并弥补关键作战漏洞的量子技术，为此积极开展战略布局，计划在五年内将量子传感器快速集成至现有武器装备系统。其中，美国国防部战略资本办公室（OSC）在《2024财年投资战略》中明确表示将为量子传感项目提供贷款或投资，尤其将重点支持基于量子力学原理和特性开发的异常精确和灵敏测量的传感器。
另一方面，对量子传感的技术布局细化，聚焦高精度授时、导航和检测。2015年初，美国陆军研究实验室在《2015-2019年技术实施计划》明确提出，量子技术将增强陆军指挥、控制、通信、情报、监视和侦察能力。其中，高精度全球同步原子钟网络可以帮助军队在争议环境中实现安全定时，量子传感器可以前所未有的灵敏度对地下机构和隧道引力场进行检测。2019年，美国国防科学委员会（DSB）量子技术应用工作组《量子技术应用报告摘要》指出，对美国防部而言具有重大应用潜力的量子传感器包括原子钟、原子加速度计、原子陀螺仪、原子磁力仪、原子重力仪、原子重力梯度仪、里德堡原子静电计，同时需重点考虑这些仪器的尺寸、重量、功率和成本，而量子雷达和量子成像由于发展优势不突出，不建议大力发展。
二、美国防部推进量子传感项目研发
多年来美国防部陆续通过其下办公室、机构和实验室投资多个量子传感研发项目。其中美国防高级研究计划局、陆军研究实验室、陆军研究办公室、海军研究实验室、海军研究办公室、空军研究实验室以及空军赞助研究办公室承担着美国防部内大部分的量子传感工作，针对各自军事需求进行特定应用研究。典型项目如表1所示。
表 1 美国防部量子传感典型研发项目
机构 | 项目名称 | 项目周期 | 相关目标 | 技术方向 |
DARPA | 芯片级原子钟 （CSAC） | 2001-2009 | 开发出体积小于1mL、功耗小于30mW且1h稳定度满足1×10-11τ-1/2水平的原子时频基准装置。 | 量子时间测量 |
集成化微型原子钟 （IMPACT） | 2007-2012 | 开发每月守时误差小于32ns的微型冷原子光钟、离子囚禁原子钟、微型光钟。 | ||
下一代原子钟 （NGAC） | 2016 | 通过采用原子限制和询问的替代方法，开发关键性能参数提高100X-1000X的下一代芯片级原子钟. | ||
高稳定性原子钟 （ACES） | 2016 | 为GPS无效环境中的电池供电的便携式应用领域开发小型、轻型及节能的原子时钟。 | ||
现在都在一起 （ATN） | 2016-2020 | 研究到达标准量子极限的量子传感器。 | ||
驱动和非平衡量子系统 （DRINQS） | 2018至今 | 通过添加周期性驱动来稳定存在相同干扰的量子系统，延长原子钟和其他量子系统在时间上保持其量子特性的时间。 | ||
强健的光学时钟网络 （ROCkN） | 2022至今 | 研发可在实验室外运行的低尺寸、低重量和低功率（SWaP）的光学原子钟，精度和保持率方面超过目前最先进的原子钟。 | ||
精确惯性导航系统 （PINS） | 2003 | 开发使用冷原子干涉测量技术进行高精度导航而无需长时间依赖外部位置确定的惯性测量单元。 | 量子惯性测量 | |
基于微技术的PNT系统 （Micro-PNT） | 2010 | 实现大小仅为8立方毫米、功耗仅为1w的授时与惯性导航单元。 | ||
芯片级组合原子导航仪 （C-SCAN） | 2012 | 将微机电系统与原子惯性导航技术相结合，集成至单一惯性测量单元，系统性能长期稳定，启动时间短，可在GPS拒止的环境下提供可靠地导航。 | ||
原子光子集成 （A-PhI） | 2018至今 | 研究基于光子集成电路的原子干涉陀螺仪。 | ||
量子辅助传感与读出 （QuASAR） | 2010-2018 | 开发在标准量子极限附近运行的原子和类原子传感器，构建结合不同量子系统最佳传感和读出能力的混合量子传感器。 | 量子时间测量 量子目标识别 量子磁场测量 | |
用于地球原位生物成像的原子磁力仪 （AMBIIENT） | 2017 | 设计可在开放环境下探测微微特斯拉和毫微微特斯拉磁场特征的新型磁梯度计。 | 量子电磁测量 量子目标识别 | |
新技术原子蒸汽科学 （SAVaNT） | 2020-2024 | 开发基于室温原子蒸气的新技术，以提高电场传感和成像、磁场传感的性能。 | 量子电场测量 量子磁场测量 量子目标识别 | |
量子孔径 （QA） | 2021至今 | 使用量子技术改变射频频谱访问方式的射频天线或孔径，开发便携式定向射频接收器，其灵敏度、带宽和动态范围远高于当今任何传统接收器。 | 量子电场测量 | |
矢量电磁辐射量子成像 （QuIVER） | 进行中 | 开发阵列矢量磁强计，也称为张量磁强计，用于测量磁场的所有空间分量，可一次性准确定位磁性物体。 | 量子磁场测量 量子目标识别 | |
运用里德堡原子增强量子传感器技术 （EQSTRA） | 2024至今 | 推进里德堡蒸气技术的性能、能力以及应用场景，支持量子增强测电学、成像、通信以及其他量子信息科学应用。 | 量子电场测量 量子目标识别 | |
中微子量子传感 （QuSeN） | 2024至今 | 寻求结合“相干弹性中微子核散射”和量子感知方法开发中微子探测器，显著提高核反应堆、核材料等来源中微子的性能。 | 量子目标识别 | |
美陆军研究实验室 | “鬼成像”用于远距离ISR | 计划中 | 从地面、无人飞行器或卫星上使用“鬼成像”技术进行远距离情报监视侦察。 | 量子目标识别 |
低成本芯片级原子钟 （LC CSAC)） | 2020 | 设计、制造和交付电池供电的原子钟，其尺寸、重量和功率和性能与市售芯片级原子钟相同或更佳，大批量销售价格目标低于300美元/台。 | 量子时间测量 | |
美海军研究实验室 | 量子重力仪计划 | 进行中 | 建立一个原子物理级模型，预测重力仪中的原子在没有大型、沉重的稳定万向节的情况下的行为。 | 量子重力测量 |
美空军研究实验室 | 磁导航 （MagNav） | 2017至今 | 通过将测量地球磁场的量子传感器，与过滤平台噪声和改进信号处理的人工智能算法相结合，增强对位置的感知，旨在GPS拒止环境中进行导航。 | 量子磁场测量 |
三、美国防部聚焦量子传感关键技术
对表1相关项目进行分析后发现，近年来，美国防部量子传感相关研发工作重点聚焦以下六大技术方向。
方向一：基于量子的时间测量技术，侧重光学原子钟、镱原子钟、离子囚禁原子钟等各类新型原子钟。
2001年，DARPA启动“芯片级原子钟”（CSAC）项目，开发体积小于1mL、功耗小于30mW且1h稳定度满足1×10-11τ-1/2水平的原子时频基准装置。2007年，DARPA在CSAC项目的基础上开展“集成化微型原子钟”（IMPACT）项目，旨在开发体积功耗与CSAC相当但性能更好、能达到每月守时误差小于32ns，相当于传统铯原子钟精度的微型原子钟，主要涉及微型冷原子光钟、离子囚禁原子钟、微型光钟三大方向。2016年，DARPA启动“高稳定性原子钟”（ACES）项目，开发出的增强型原子钟关键性能参数较CSAC技术提高1000倍。同年，DARPA在“现在都在一起”（ATN）项目下开展全光学原子钟研发，与微波原子钟提供10纳秒（十亿分之一秒）的计时相比，光钟精度可达10皮秒（万亿分之一秒）。近几年，DARPA开始逐渐重视可集成至实战装备的原子钟，精度不必比肩实验室样品，仅需具备比现有原子钟更强大的功能。为此， DARPA在2022年推出“强健的光学时钟网络”（ROCkN）项目，用于设计机载和舰载两类光学原子钟。此外，各军种也陆续开发用于战场的原子钟，如美陆军推进的战场可用低成本芯片级原子钟等。
方向二：基于量子的惯性测量技术，侧重原子干涉陀螺仪、原子自旋陀螺仪、原子加速度计等技术。
2003年，DARPA制定了“精确惯性导航系统”（PINS）项目，利用超冷原子干涉原理实现高精度惯性导航系统。2010年，DARPA又启动“基于微技术的定位、导航与时间系统”（Micro-PNT）项目，实现大小仅为8立方毫米、功耗仅为1w的授时与惯性导航单元，通过周期性的内部误差修正来减小漂移误差，提高系统精度。后续“原子光子集成”（A-Phl）项目则专注开发基于光子集成电路的原子干涉陀螺仪，在不损耗性能的情况下缩小光学陀螺仪。
方向三：基于量子的重力测量技术，侧重原子干涉重力仪、原子干涉重力梯度计等技术。
当前，美海军研究实验室正和海军研究办公室合作开发舰载原子重力仪，初步计划利用精确的舰船运动模型建立原子物理级模型，以预测重力仪中的原子在没有大型、沉重的稳定万向节下的行为。2021年以来，美海军研究办公室和喷气推进实验室还在N00014-20-1-2656项目中资助了多个原子重力仪的研究，包括对环境效应具有鲁棒性的原子重力仪、利用原子干涉仪验证引力纠缠等。此外，美海军还曾授予著名量子传感公司AOSense一份“重力增强隐蔽潜艇导航”合同，用于开发支持水下导航的原子干涉重力仪技术。
方向四：基于量子的电场测量技术，侧重里德堡静电计等技术。
2020年，DARPA在“新技术原子蒸汽科学”（SAVaNT）项目下寻求一种里德堡原子传感器，为毫米波提供超窄带宽、高灵敏度的电场探测。2021年，DARPA选定霍尼韦尔、诺斯罗普格鲁曼、ColdQuanta 和 SRI International 在“量子孔径”（QA）项目下将里德堡传感器作为射频接收机，以检测和处理一些常用波形（GPS、数字电视和跳频波形）。2024年，DARPA新启动“运用里德堡原子增强量子传感器技术”（EQSTRA）项目，开发芯片级可调谐、频率敏捷的光源，降低基于里德堡的集成原子接收器的尺寸重量与功率，将在宽载波频带工作的里德堡静电计拓展到毫米波领域，并开发晶圆级原子蒸气腔室，实现更高性能、更可靠的基于里德堡原子的静电计。此外，美陆军研究实验室于2023年制备出的里德堡传感器经测试发现，可在高达20GHz的频率上探测蓝牙、Wi-Fi、AM和FM广播以及其他通信信号。
方向五：基于量子的磁场测量技术，侧重矢量磁强计等技术。
DARPA不仅在“新技术原子蒸汽科学”（SAVaNT）项目下开发用于电场探测的里德堡原子传感器，同时还开发一种矢量磁强计，以实现低尺寸、重量和功率，室温运行的准直流磁场传感器。此外，美空军研究实验室、空中机动司令部和麻省理工学院合作开展了“磁导航”（MagNav）项目，相关研究证明量子传感器可捕捉地球磁场的细微变化，利用人工智能算法排除周围飞机系统的干扰，并计算出飞机的位置，试验结果发现可无需依赖GPS也“能够在一平方千米内准确定位”，目前SandboxAQ公司已在该项目下为美空军开发出AQNav系统，用于卫星拒止条件下的空中、陆地和海上导航。
方向六：基于量子的目标识别技术，侧重量子电磁辐射成像、“鬼成像”、中微子量子传感等技术。
DARPA早在2010年就开发出生物体量子辅助纳米成像技术，展示了活细胞内部磁结构的成像，作为“量子辅助传感与读出”（QuASAR）项目的成果之一。2017年，DARPA启动“地球自然地形生物成像原子磁力计”（AMBIIENT）项目的实用手持传感器系统奠定基础，该系统可测量生物体内由电生理活动所生成的极小的磁场，能够可靠地实现对神经和其他身体活动的快速、非侵入式的探测与扫描，该项目初步研究成果可提高判断人类心脏是否跳动或大脑是否活动的能力。兰德公司2021年10月发布的“量子技术的商业和军事应用及其时间表”报告中提到，美国陆军研究实验室正计划从地面、无人飞行器或卫星上使用“鬼成像”技术进行远距离情报监视侦察。而近期，DARPA最新推出“中微子量子传感”（QuSeN）项目，计划开发一种新型高性能量子传感器，用于探测来自核反应堆和核材料等来源的中微子。
四、美国防部量子传感军事应用方向
结合项目和技术布局重点，美国防部军用量子传感器的应用将主要集中在以下四方面。
一是增强定位、授时和导航能力。美国防部对量子传感技术的研发集中在高精度、小型化、高稳定性、低成本的原子钟、原子陀螺仪、原子磁力仪方面，表明现阶段美军计划重点运用量子传感技术提升军事作战过程中的定位、授时和导航能力，包括增强、替代或补充美现有全球卫星导航系统的功能，以此确保大多数依赖GPS的武器装备系统不仅能在水下、地下、密林等难以接收GPS信号的空间中正常运行，且使其不受信号干扰和欺骗影响，并将导航精度提升两到三个数量级。不仅可保障美军在恶劣环境下的作战，还将直接提高导弹、无人机等武器装备的精准打击能力。
二是增强情报、监视、目标获取和侦察能力。目标识别方面。美国防部大力开发的原子磁力仪和原子重力仪不仅可用于导航，当灵敏度和分辨率达到一定程度时，还可在远距离探测伪装的车辆或飞机、有效地从低地球轨道搜寻舰队或单个船只、探测地下结构，如洞穴、隧道、地下掩体、研究设施和导弹发射井、定位埋藏的未爆炸物体（地雷、水雷和简易爆炸装置）、实现对旋转机械的穿墙检测等。此外，DARPA正在推进研发的中微子传感器还可用于移动探测核反应堆和核材料。目标成像方面，以美陆军量子“鬼成像”为例的量子成像技术可帮助作战人员在多云、水、雾、灰尘、烟雾、丛林树叶或夜间等环境中执行侦察、监视任务，助力隐蔽作战，同时确保在动态战斗环境中对潜在威胁做出迅速而准确的反应，以此赢得主动权。
三是增强战场通信能力。与传统天线相比，里德堡原子接收器具有一系列独特的特性，包括使用单个原子探测器元件的高灵敏度、选择性和宽带覆盖范围。里德堡原子设备有潜力彻底改变从长波射频到毫米波和太赫兹频段的射频监视、安全、通信和网络功能。目前，美陆军研发的里德堡原子传感器不仅可在较宽的频率范围内的探测各种微弱信号，还在战场测试环境下首次实现使用1km内的无线电通信，极大增强抗干扰、抗拦截能力，开辟量子通信技术在现代战场上应用的可能性。
四是提升战时医疗效率。美国防部开发的量子传感器能够有效辅助生物的高精度成像，这将有利于美国防部开发专门药物和疗法，同时也将支持人脑相关的研究活动，如脑机接口等。此外，DARPA开发的原子磁力仪还将极大助力战场快速医疗诊断，提高医疗效率，这类高灵敏度磁传感器不必采取严格的屏蔽措施，就可在人体附近或战场环境使用，进行实时清晰的细胞磁成像和心成像，也为神经和心脏活动的医学研究和临床诊断提供强有力的新工具。
五、后续影响
美国量子经济发展联盟（QED-C）董事会成员将量子传感誉为“公众了解度最低但技术成熟度最高”的一项量子技术。美国防部在这一领域的强势入局不仅将极大提升美军作战能力，也将对全球量子传感技术和产业发展带来深远影响。
一是拉高量子传感军事应用水平。美国防部持续投资开发的军用量子传感设备，一旦实战使用，将颠覆现有作战效能，包括极大增强态势感知、威胁检测、无线电波监听等能力。美盟友或西方其他国家将纷纷效仿，大力开展军用量子传感技术研发活动，广泛探索与其他武器装备系统的集成应用，或将产生更强的乘数效应，引发在情监侦等领域的新一轮全球军备竞赛。
二是收紧全球量子领域科研合作。自2015年起，美国不断加大对中美科技合作的审查，尤其针对一些国防技术或是具有两用背景的新兴技术和颠覆性技术领域，如人工智能、微电子、量子等。前不久，美国会还责成国家科学基金会仔细审核量子信息科学和技术领域的研究提案。可以预见，随着美国防部对量子传感技术的研发投入力度不断加大，量子与国防军事将进一步深度捆绑，美在量子技术领域的国际科研合作将受到更加严格的审查或禁止。
三是加剧全球量子传感市场竞争。当前，美国防部对量子传感技术的战略肯定和项目布局，以及DARPA、美各军及其下实验室、国防创新部门等国防机构持续发布的量子传感技术、材料、设备相关项目招标公告，将为美市场释更加明确的需求信号，刺激量子传感器的商业市场飞速增长，尤其是在定位、授时和导航以及目标探测和成像等关键军事应用领域。量子传感作为中美未来产业竞争的重点方向之一，国防资助下美相关企业的领跑将使全球其他国家的企业面临技术代差扩大、成本劣势等诸多问题。
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作者简介
张怡 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究一室
研究方向：科技战略、科技创新