面對精確導航和授時所需的GPS信號面臨的日益嚴重的威脅，美國國防部正在關注局部量子傳感器，將其作為天基全球定位衛星系統的替代方案。

美國國防創新部門（DIU）的Nicholas Estep中校指出，在軍事沖突中，“你需要預先假設一個GPS信號退化、甚至遭到拒絕的環境，在這個環境中，你不能依賴GPS等外部PNT信號。”

俄烏戰爭和中東的戰爭暴露了信號干擾與欺騙如何給軍隊帶來毀滅性的打擊，因此尋找GPS的替代方案已是當務之急。

正因如此，五角大樓在硅谷的采購前哨DIU正在尋找商業合作伙伴，幫助國防部開發分布式、本地化的GPS替代方案，這些替代方案不再依賴于來自地球表面數千英里外容易受到干擾的信號。

這一次，美國國防部將目光投向了量子傳感器。

“盡快將這些方案交到軍隊手中”

“我們必須找到能夠繼續支持PNT（Positioning，Navigation&Timing，定位、導航和授時）的解決方案，讓聯合部隊能夠執行使命。”Nicholas Estep中校強調道。

Nicholas Estep中校是美國空軍現役軍官，也是DIU新興技術產品組合的主任。Nicholas負責領導新興技術團隊，該團隊目前專注于為國防部開發與提供創新的量子應用、高超音速和先進材料解決方案。

圖：Nicholas Estep

來源：DIU

今年5月，DIU發布“量子傳感器轉化”（TQS）項目招標書，向工業界尋求能夠替代GPS的量子傳感器。該項目探索三個主要領域：量子慣導、量子磁力計和量子傳感的螺旋增強。DIU官網資料顯示，TQS項目側重于展示量子傳感器的軍事用途，以解決聯合部隊的戰略能力，如PNT和異常檢測。

數十份提案涌入。Estep表示：“我們確實收到了非常多的熱情反饋，其中既有傳統的初創公司，也有非傳統公司。”

Estep說，此次征集旨在鼓勵各種方法和解決方案。“不可能出現一個適用于所有情況、滿足所有部隊需求的量子傳感器。空軍會使用，海軍也想使用，陸軍更是如此……不存在one fit all的靈丹妙藥 ，對于量子和經典傳感器都是如此。”

因此，DIU把外形尺寸和技術成熟度作為不同的標準，將行業申請者提出的各種方法與適當的用例相結合。“有些量子傳感器可能更適合飛機，有些技術則更適合為水面或水下船只提供支撐。”Estep表示。

據悉，DIU正在與國防部的多個軍種和其他利益相關者合作，“以盡快將這些創新解決方案交到軍隊人員手中”，Estep解釋道，“我們會幫助協調這些不同的技術解決方案，相關性最強的就是服務部署機制和各種任務集。”

美國太空軍（美國空軍下屬的獨立部隊，于2019年正式成立）還在研究彈性的天基PNT解決方案，包括將GPS信號分散到不同軌道的各種衛星上，以此來提高系統的穩健性與抗干擾性。

事實上，彈性PNT是空軍部長Frank Kendall確定的“兩種能力”之一，可以在國會授權的新“快速啟動”資金權限下使用，使得太空軍無需等待完整的的立法審查即可提前啟動某些項目。


關于量子傳感器與GPS，我們需要知道


幾十年來，全球定位系統（GPS）一直是PNT（定位、導航和授時）的基石，GPS技術在準確性、完整性、安全性與使用范圍方面都在不斷發展。盡管GPS是一種功能強大且無處不在的工具，但它的使用和可靠性仍然存在局限：GPS依賴衛星的特性使其容易受到太空天氣事件和潛在的太空敵對行動的影響，威脅行為者可以通過干擾和欺騙手段干預GPS系統，主要表現為服務中斷、被拒絕與受到操縱。

來源：NASA

上文頻繁提及的PNT，所代表的三種基本功能為：

定位，即能夠準確和精確地確定物體或人的位置（通常是緯度和經度，有時包括高度）以及相對于參考點的方向的能力；

導航，即能夠測量并修正航向、方向和速度，以到達期望位置的能力；

授時，即在用戶定義的及時性參數范圍內，能夠獲取、維持和/或同步相對于標準時間（如協調世界時）的準確和精確時間的能力。

干擾和欺騙的攻擊方法不同，但這兩種情況在世界范圍內都變得越來越普遍，包括在波羅的海地區、烏克蘭和中東地區對GPS系統的攻擊。除了欺騙和干擾，GPS在無GPS或受限的環境中還面臨挑戰，在這些環境中，GPS信號要么不可用，要么不可靠。這些環境可能是由于多種原因造成的，包括：地下或水下位置；城市峽谷；極地地區等。

即使在GPS信號不可用或不可靠的環境中，許多量子傳感器依然可以提供導航信息。根據量子經濟發展聯盟（QED-C）的報告，此類傳感器包括量子加速度計、陀螺儀、磁力計、重力儀和重力梯度儀。量子重力儀和量子磁力計是被動的，可以在全天候條件下、一天中的任何時間以及海洋等無特征的環境中運行，從而實現引力異常輔助導航（GravNav）和磁異常輔助導航（MagNav）。

圖：美國陸軍研究實驗室（ARL）的Rydberg量子傳感器實驗裝置
來源：美國陸軍研究實驗室


與傳統GPS相比，量子傳感器在抵抗欺騙和干擾方面也具有一些優勢。它們可以在GPS信號受到干擾的情況下提供替代PNT信息，并幫助識別信號何時被欺騙，例如通過使用原子鐘為射頻場提供更準確的到達時間測量。聯網量子傳感器有望為當前的PNT工具提供補充信息，在短期內不會完全取代GPS。GPS將繼續發展，新一代衛星使用先進的量子傳感器/原子鐘，提供更好的信號結構和先進的地面控制系統。隨著量子傳感器技術的成熟和商業化，它在各種PNT應用中的采用可能會增加。混合系統也可能出現，它利用傳統GPS和尖端量子傳感器技術的優勢，以及其他經典的互補PNT技術。

美國國防部入局，量子傳感是三大量子領域最成熟的技術

量子經濟發展聯盟（QED-C）是由美國國家標準與技術研究院（NIST）支持的行業主導的、目前最大的量子產業聯盟。量子經濟發展聯盟的執行董事Celia Merzbacher表示，量子傳感是三大量子領域（指量子計算、量子通信、量子傳感）中“（公眾）了解度最低但技術成熟度最高”的一個。

“在某種程度上，可以支持定位、導航和授時的量子傳感技術已經存在。”她表示，該技術與原子鐘中使用的技術相同，后者根據亞原子粒子的運動提供精確計時。

DIU提供的產品概述了量子傳感適用于PNT的三種方式：測量運動、重力和地球磁場。每種方法都為飛機、輪船或車輛提供了一種準確確定其位置的方法，而不必依賴來自遙遠GPS衛星的無線電信號。

Merzbacher預測，國防部的參與可能會在五年內刺激量子傳感PNT的商業市場。她提到，如果沒有國防部，市場增長將需要更長的時間，“因為這些為PNT和其他用途開發量子傳感器的公司都是較小的公司，他們無法在資源有限的情況下，投資于任何需耗費超過兩三年上市時間的產品。”

來源：DIU
這正是DIU成立的初衷——為技術搭建通往私募股權的橋梁。“私人資本很昂貴，而且很難獲得，”Merzbacher坦言，“國防部（的招標）實際上是在為量子傳感市場定信號、做擔保。”

“政府確實可以通過介入并支付現階段的工程研發成本來加速技術進步，”她解釋道，“最終，隨著收入的產生，這些公司可以進行再投資。但是，如果政府沒有選擇介入......那么進展只會慢得多。”

從實驗室到戰場的過渡是一個關鍵障礙。她提到：“一個巨大的挑戰是在受控環境中集成這些實際上剛剛在實驗室中被開發出來的新組件，將它們打包成可以裝上飛機或太空平臺的東西，并承受振動或輻射的嚴酷考驗。”


行動

美國海岸警衛隊（U.S. Coast Guard）職業軍官、彈性導航與授時基金會（Resilient Navigation and Timing Foundation，簡稱RNTF）主席Dana Goward提到，其他國家正在投資于自己的解決方案。

Goward表示，中國以及美國的盟友韓國和沙特阿拉伯等已經擁有了一個運行中的地面替代GPS系統——增強型羅蘭授時系統（eLORAN），Goward表示。eLORAN依賴于雙曲線導航，其中飛機、船只或車輛可以通過對比兩個或更多地面廣播塔發出的信號來確定其位置。

“它比GPS或其他基于衛星的PNT系統更精確、更難以被干擾，”Goward說。

來源：DIU
Goward認為量子傳感是“令人興奮的”，但他也表示，這項技術可能需要“許多年”才能清除所有必要的工程和技術障礙，實現廣泛應用。他還提到，GPS現在已被消費者和企業視為理所當然，并且對于它的脆弱性知之甚少。但是，需要在極低溫度下維護材料或在極其精確的激光頻率下運行的技術，還遠遠沒有準備好進入黃金時期。“它們會不斷改進，也許有一天它會普及到像你我這樣的普通人。”

量子定向越野

許多支持者表示，支持PNT的量子傳感技術標志著一個重大的變化，它代表了一種從傳統的基于信標信號的GPS或eLORAN方法的根本轉變。“下一代PNT技術將定位功能回歸到本地車輛或個體，并本質上表明，現在我們希望能夠僅使用我們本地測量的東西來導航，”量子技術公司Q-CTRL的首席執行官Michael Biercuk說。

由于地球的磁場和重力場在不同地方有微小的變化，并且這些變化已經被繪制成圖，一個能夠測量這些微小變化的工具就可以準確定位用戶，Biercuk解釋道。“如果你將這些地球物理現象的高質量地圖與一個高質量的本地傳感器結合起來，你就可以做到有時被我們笑稱為‘量子定向越野’（Quantum Orienteering ）的事情，”他說，“你可以拿著你的地圖和傳感器，計算出你在哪里。”

“量子傳感設備的極端技術要求可以通過使用軟件算法來緩解，”Michael Biercuk提到，“量子傳感器在實驗室的性能非常出色，但實驗室外的表現會大大下降。任何時候只要你把它放在一個移動的載體上，都很難保持其運行。它們是非常非常敏感的設備。”

但Q-CTRL已經證明，將非常好的硬件工程與軟件啟用結合起來時，實際上可以使這些工具在真實環境中變得可行。該公司正在與空客公司合作，對一種可以安裝在商用飛機中的GPS替代慣性運動傳感器進行安全測試，預計“可能在兩到三年內實現”。
參考鏈接

[1]https://www.airandspaceforces.com/dod-innovators-quantum-tech-alternative-gps/

[2]https://www.diu.mil/team/nick-estep

[3]https://thequantuminsider.com/2024/05/16/us-defense-innovation-unit-launches-new-tech-portfolio-with-quantum-sensors-initiative/

[4]https://quantumconsortium.org/pnt2024/

[5]https://www.diu.mil/latest/defense-innovation-unit-launches-first-cso-under-new-emerging-technology

[6]https://quantumconsortium.org/

來源：光子盒