在发生冲突或对抗的情况下，联合部队可能会失去卫星能力，特别是全球定位系统。舰艇、潜艇和飞机将需要几乎完全依赖其他技术进行定位、导航和授时（PNT），特别是惯性系统。 然而，由于陀螺仪和加速度计等惯性导航设备会随着时间的推移而失去精确性，而且在 GPS 失效的环境中无法重新校准，因此惯性导航只能在有限的时间内保持可靠。
但量子传感这一新兴技术有可能将惯性导航的精确度提高几个数量级，从而大大延长在无全球定位系统环境下的可用性。量子传感背后的理念相当简单明了。从本质上讲，量子指的是原子和亚原子级别的领域。这一领域对环境中的微小变化极其敏感，而这些变化在日常生活中是无法探测到的。量子传感利用了这种敏感性，使测量结果比传统方法精确得多。
虽然利用量子进行惯性导航是未来的技术，但这一未来可能并不遥远。量子传感已经应用于原子钟（包括军用卫星）和核磁共振成像仪等设备中。政府和私人研究人员在用于惯性导航的量子传感方面正取得快速进展，一些设备可能在短短五年内就能部署到军队中。然而，要实现这一目标，国防组织现在就需要采取措施，确保正在开发的量子陀螺仪和其他设备适用于当前和未来的舰艇、潜艇和飞机。量子传感设备通常需要很大的尺寸、重量和功率，研究人员现在正集中精力研究如何使它们适用于海军和其他军种。
国防机构必须在量子传感领域发展深厚的专业知识，并率先提出需求，以便尽快部署量子设备。其他大国目前正在积极发展用于惯性导航的量子传感技术，并有可能将西方甩在身后。
量子传感的工作原理
原子、光粒子和其他量子领域生物的行为可以揭示更大物理世界中正在发生的事情。例如，当真空中的原子云处于激发态时，原子会对周围的引力场高度敏感。通过观察原子形成的图案，量子设备可以描绘出船只或潜艇周围的引力场。随着船只的移动而反复读取，这幅图就会变得越来越详细。然后，船载计算机可以将这幅图与地球引力场地图叠加，从而确定船只的精确位置。
一种完全不同的量子传感技术可以测量周围的磁场，同样有助于绘制飞船的位置图。使用量子磁力计时，用特殊材料制成的细小导线会变得非常冷，几乎没有电阻。这样就消除了导线上的 “噪音”，当电荷通过导线时，导线就会对原子级的磁场高度敏感。该装置通过一系列测量来确定周围的磁场，然后将其与世界磁场图进行比较。
其他类型的量子传感可以帮助惯性导航的其他方面。例如，量子陀螺仪利用原子的波性来测量角度旋转。原子钟通过可预测的受激原子衰变速度来计时。量子加速度计测量过冷原子的运动。所有这些量子设备的共同点是自成一体，完全独立于全球定位系统或其他外部通信。此外，由于量子领域的测量要比传统方法精确得多，因此量子惯性导航可以依赖更长的时间。
从实验室走向现实世界
虽然量子传感设备已被证明可以工作，但除了原子钟之外，它们一般都过于庞大，无法用于惯性导航。例如，量子磁力计中过冷导线所需的冰箱会占用大量空间，而且在实验室中有效的装置可能无法安装在潜艇上。在实验室里，一些基于光学技术的量子传感器集合了镜子、玻璃板、激光器和各种电子设备，放在一个餐桌大小的平台上。
目前，包括美国海军研究实验室等国防部实验室在内的许多量子传感研究工作都集中在如何将设备做得足够小，以便能够安装在舰艇、潜艇和飞机上，同时又不会明显降低精度和准确度。
一个关键的挑战是，在制造出更小、更轻、功耗更低的设备之前，通常很难确定它的性能如何。此外，每种类型的量子传感设备都有自己复杂的贸易空间。制造商可能需要对多个原型进行试验，才能在尺寸和性能之间取得适当的平衡。在某些情况下，这一过程可能会因成本过高而不可行，而且耗时过长，使国防部无法在量子传感竞赛中跟上对手的步伐。
一种解决方案是，国防组织利用建模和仿真来测试特定量子设备在现实世界中如何工作。这可以通过建立基于研究数据的模型来实现。已发表的许多研究论文描述了量子传感设备的不同方法，这些信息以及迄今为止已制造出的各种原型的数据可用于建立模型。通过继续在正在进行的研究（包括建模和仿真）中发挥重要作用，联合部队可以获得推动量子传感需求所需的信息和专业知识，而不是完全依赖于工业界。这种方法可以大大加快采用量子传感进行惯性导航的速度，有助于在全球定位系统缺失的环境中提高作战可用性。
参考来源：Booz Allen
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