光子盒研究院
全球各地政府和工业实验室的研究人员都在争分夺秒地改进技术和方法，以便在原子水平上探测运动、电场和磁场的变化。
发现原子已知特性的微小变化可以产生极其精确和准确的测量结果，这种技术被称为量子传感。
量子传感技术适用于多种应用，而用于导航的量子传感技术则是五角大楼最感兴趣的领域。由于人们越来越意识到，中国或俄罗斯等技术先进的“美国对手”可以破坏或禁用美军所依赖的 GPS 信号，因此美国作战人员经常在 GPS 信号被屏蔽的环境中进行作战训练。
现代生活中有如此多的东西依赖GPS，以至于有人估计，一旦发生故障，全球经济每天将损失超10亿美元——这样的解释并不太牵强：在最近的俄乌战争中，俄罗斯正在乌克兰干扰 GPS 卫星信号；在伊朗，美国隐形无人机被黑客通过欺骗其GPS坐标捕获；以及被太阳耀斑破坏。不过，就其核心而言，GPS是一个计时系统；量子技术正引领着这项技术的革命。海军研究实验室研究物理学家Roger Easton所做的工作为全球定位系统奠定了基础，并促成了 1977 年第一颗发射 GPS 信号的卫星 NTS-2 的发射。如今，NRL量子光学部门负责人Adam Black也在将量子传感器应用于GPS之前的另一种导航技术——惯性导航。学者们认为，利用一些最小的原子惯性技术，可能只需几年时间就能实现这些目标。“量子惯性测量单元可能比目前实验室用于量子传感研发的大型固定设备小得多。”惯性导航采用加速度计、陀螺仪和计算机——它们统称为惯性测量单元（IMU），来连续计算运动物体的位置、方向和速度，而无需外部参考。自 20 世纪 60 年代以来，该技术一直用于军用飞机和武器制导，到 20 世纪 90 年代初被全球定位系统所取代。与全球定位系统相比，使用量子传感器的惯性导航不容易受到干扰，因此被认为是一种在全球定位系统受到破坏，或无法使用时以类似或更高精度进行导航的方法。要将量子传感设备用于军舰、潜艇或飞机等动态环境，最大的障碍之一是使其体积足够小、能效足够高，以适用于这些平台。缩小迄今为止开发的量子传感器也会降低其准确度和精确度。Black解释说，这是NRL、陆军和空军研究实验室以及私营企业的研究人员正在努力解决的“权衡问题，但也是一个可应对的挑战”。在《国防》杂志上，Black说：“你可以想象一个装有量子 IMU 的鞋盒，里面有加速计和陀螺仪。尽管我们目前还没有达到这个水平。但我认为这属于物理学范畴。”他补充说，作为新型惯性导航系统的一部分，量子 IMU 将执行与经典 IMU 相同的功能，“只是在一段时间内，传感器提供的精度和准确度更高。”NRL 系统局研究副主任Gerald Borsuk博士说，新一代小型精密原子钟（也是量子传感器的设备）可用于在 GPS 失效时保持时间。“如果GPS传感器通过其他来源获得精确时间，那么它仍然可以使用。”通过监测原子共振频率来测量时间的原子钟从上世纪50年代就开始使用了。小型化、高性能微波原子钟和小型光学原子钟是基于数百太赫兹的光学频率测量时间的抗干扰量子传感器，可以提高全球定位系统的抗干扰能力。Black指出：“现在，人们正在采用更先进的光学原子钟，并对其进行工程设计，使其具有可现场使用的封装尺寸。”量子传感器的开发往往因为需要制造物理原型进行实际测试而旷日持久。Black说，海军实验室和其他研究小组正在应用数字工程（虚拟建模和仿真）来加快这一过程。Black还透露：“最近我们与海军研究办公室共同参与了一项计划，旨在将量子重力仪安装到舰船上。”Black团队在海军研究实验室的研究小组利用精确的舰船运动模型，建立了一个原子物理级模型，预测重力仪（测量重力加速度的传感器）中的原子在没有大型、沉重的稳定万向节的情况下的行为。结果表明，只要将重力仪中误差源的知识纳入其中并加以校正，重力仪就能正常工作。“我们打算加快进度。”Borsuk总结道：“我们成立了量子科学研究所，集中精力降低工业界的风险，将我们创造的成果加以应用。”量子技术提供了一个充满机遇的未来，它利用光和原子的行为来改善计算、通信安全和传感等领域。量子传感器对周围环境高度敏感，可以探测到原本不可能或需要大量资源才能收集到的数据。量子传感器的应用包括探测重力、电磁场、单光子、时间、温度和运动。除了GPS，以下是一些量子传感已被证明能带来显著提升的领域：
而这些应用都有一个共同的价值主张：量子传感器可以降低实际数据采集的灵敏度、选择性或效率成本。鉴于其在高价值行业的广泛应用，预计未来十年的市场价值将超过 10 亿美元。目前，量子传感器的应用范围有限，但随着技术的进步，这一范围正在迅速扩大。原子钟是最古老的量子传感技术。它们已经使用了几十年，是我们全球定位系统的基础部分。最近的发展使 Microsemi 等几家公司能够为通信和导航系统的精确定时同步提供原子钟。这些系统可能带来的最明显的好处之一是，在不同地点之间传输数据时、吞吐量更大。纬度仪和重力仪在这一领域也相当成熟，目前正在商业和实验室中使用，以实现以前无法达到的地下测量精度和可靠性。由 Muquans 等公司提供的便携式商用重力仪，与市场上的传统替代产品相比，可以对更小/更深的地貌进行更高分辨率的测量。一些研究发现，冷原子量子重力仪在探测较小的地下特征方面比传统重力仪有效 1.5-2 倍，而且可以测量更深的地层。利用金刚石中的氮空位的磁力计正在由 SB Quantum 等公司开发，磁力计应用广泛，包括采矿作业勘探和导航。最近发表在《自然》（Nature）上的一项研究发现，当用于梯度测量时，基于金刚石的量子磁力计具有更高的灵敏度和更局部、更清晰的图像等优势。量子传感器还能探测远距离的速度、反射率和化学成分，具有许多有用的应用。例如，SigmaSpace、Quantum Light Metrology 和 ID Quantique 等公司都推出了量子激光雷达，可用于地面测绘和气体泄漏检测。将先进的量子传感技术集成到完整系统中后的世界会是怎样的呢？一家医院......想象一下，走进一个房间，各种成像过程在几分钟内同时完成，而不是几小时。量子传感器系统可提供与核磁共振成像、CAT 扫描或 X 射线相同的数据，并可用于检测通常需要进行血液扫描的情况。以更低的时间和成本获取这些数据将变得更加容易，从而使医院能够以更准确的结果为更多病人提供服务。
鉴于此，Chipiron 等公司已经开始探索磁共振成像的微型化。
发电厂......想象一下，核电厂或天然气厂只需在全厂安装几个传感器，就能精确检测到以前无法追踪的泄漏。将这些新数据与人工智能系统结合使用，可以确定分子成分、确切位置和估计损失。现在，工厂可以比以前更早地检测到泄漏和标记维护，不仅降低了成本，还降低了环境破坏的风险。
QLM 公司正在努力做到这一点。
城市......想象一下，您的半自动驾驶汽车装有量子传感器，在城市中穿行。传统的激光雷达系统在恶劣天气、可能被欺骗以及探测隐藏障碍物等方面受到限制。量子激光雷达可以向自动驾驶系统提供更远距离的高精度成像数据，从而应对这些挑战。这样就能更快、更安全地实现大规模自动驾驶，同时减少所需的空间、重量和功耗。
现在，随着技术进一步发展，它们的商业前景需要得到更多重视。
现存的一个挑战是，很难准确预测新兴技术将如何、以及在哪里被采用。物理学的历史充满了偶然性的发明。例如，X射线发生器是“观察电子束是否能穿过玻璃的实验”的意外副产品，但它们现在对医学和机场安全至关重要；激光器的发明者Theodore Maiman将这项技术描述为“寻求问题的解决方案”。公司可以通过多种方法来缓解此类问题，例如制造特定用途的硬件来限制噪声、平均测量值以及使用纠缠传感器。
处于起步阶段的技术往往会遇到微型化方面的挑战。第一台通用电子数字计算机 ENIAC 占地约 1800 英尺，重量超过 27 吨。同样，希望实现量子传感器的公司也在为空间限制而苦苦挣扎。对于试图在太空等领域实施量子传感器的公司来说，这一点尤为明显，因为在这些领域，最大限度地减小负载的尺寸和重量至关重要。一位量子传感创始人举例说，通常情况下，要达到这样的灵敏度，需要一个卡车大小的系统来进行冷却、激光系统和噪声防护。不过，我们已经看到几家量子初创公司（如 CDL alumni Aquark Technologies）正致力于缩小这些传感器的尺寸和复杂性，以加快这项技术的市场应用。
虽然学术研究人员可以开发具有正确属性的传感器，但工业界需要领导这个系统集成阶段。总而言之，我们迫切需要一个长期的、由行业主导的量子传感器创新方法。[1]https://thequantuminsider.com/2023/05/03/quantum-sensing-and-its-value-a-brief-overview/[2]https://thequantuminsider.com/2023/07/27/defense-experts-predict-quantum-sensing-poised-to-replace-vulnerable-gps-systems/[3]https://thequantuminsider.com/2023/05/03/quantum-sensing-and-its-value-a-brief-overview/[4]https://www.nature.com/articles/s41467-022-31454-6
