为满足推进量子技术发展的需求，美陆军研究实验室人员正在开发、改进和试验用于战场的相关工具。

随着世界向创建基于量子的先进能力过渡并强调其重要性，为未来战场做准备，美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室团队正致力于构建、评估和完善两项技术：先进原子钟和电场传感器。

原子钟在现代作战中扮演着关键角色，但研究人员正在重新构想这项至关重要的技术，目标是克服其大尺寸和不可移动性带来的主要问题。陆军研究实验室官员希望显著减小原子钟的尺寸，同时保持其有效执行高性能任务的能力。他们已经开发出一种更小的原子钟，称为芯片级原子钟；然而，据陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室量子科学高级研究科学家弗雷德里克·法特米称，他们尚未找到方法使这些更小的版本具备与大型版本相同的能力，并能在通信可能受阻或不存在的地方发挥作用。

“挑战在于，这些量子技术非常复杂，体积也非常庞大，部署其中许多技术非常困难，因此我们需要了解如何减小其尺寸、重量和功耗，使其能够在战场上使用，”法特米在接受SIGNAL媒体采访时表示。

“芯片级原子钟非常小，”法特米补充道。“它可以集成到无线电设备中，但因为它不是大型系统或实验室级系统，所以不具备实验室级系统的性能，因此它无法帮助我们在全球定位系统拒止环境中持续执行我们可能需要时长度的任务。例如，我们可能需要执行持续数天的任务，而你可能需要全球定位系统提供的那种非常精确的授时持续数天，因此我们正在研发性能更高的这类芯片级原子钟版本。”

陆军研究实验室的研究人员还设立了低成本芯片级原子钟项目，旨在大幅降低这些高性能芯片尺寸设备的制造成本，目标是找到一种以几分之一的成本提供顶级性能的方法。

据法特米称，实验室官员也正在利用其他军种团队和私营部门的帮助。他们的协助和见解将有望为下一代原子钟铺平道路，从而为士兵在战场上提供持续数天的更优级别授时。

“原子钟构成了我们全球定位系统的支柱，但现在，我们需要知道，如果处于全球定位系统拒止环境中，我们该怎么办，”法特米说。“我们一直在研究先进原子钟，并与各军种及行业伙伴合作，开发在没有全球定位系统情况下的时钟和定位能力。这是一个非常关键的问题。量子技术曾经给了我们全球定位系统，现在我们需要量子技术来帮助我们在全球定位系统拒止区域提供解决方案。”

如前所述，原子钟在当今战场上发挥着重要作用。法特米表示，这项技术为士兵提供精确授时，确保战区通信同步。

陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室团队成员也在探索增强电场传感器的方法，重点在于新型的里德伯原子传感器。该工具使用激光激发微波电路上方的里德伯原子，使传感器能够专门聚焦于官员们测量的电磁频谱部分。此外，据陆军官员称，里德伯原子对电路电压高度敏感，这使得用户可以将该工具用作射频频谱中众多信号的灵敏探针。里德伯原子传感器的运作原理与传统天线完全不同，标志着一个重大变化。据法特米介绍，这种新方法通过使用激光束与原子系统相互作用来读取信号，而不是传统上通过射频电阻读取信号的方法。

此外，里德伯原子传感器可以利用其基于原子的系统进行自校准。内置的自校准摒弃了依赖石英振荡器制造公差的传统方式，转而依靠原子的基本属性。法特米补充道，这一特性是使这些传感器成为世界上最精确传感器的主要原因。

陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室官员并不期望里德伯原子传感器取代传统接收器，而是旨在增强它们。

此外，陆军人员优先考虑量子计算领域。据陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室量子信息科学项目经理萨拉·甘布尔称，基于量子的计算机不仅能更快地完成任务，而且其计算方式与传统计算机有根本性不同。此外，发展这一领域可以为引入更快速、高效和有效的系统铺平道路，同时也能集成以不同方式思考的系统。

“（量子计算机让你）脱离经典系统的问题规模与解决时间之间的基本曲线，”甘布尔说。“对于某些问题——但只是一些问题，它将你置于一个不同的位置，而其中许多问题是陆军、战争部以及我们的合作伙伴和其他政府机构都感兴趣的。如果你能相对于问题规模，指数级加速解决时间，那么你就获得了这些经典系统不可能具备的优势。所以，我认为这正是真正需要强调的。”

“它并非一种更快的计算方式，”甘布尔补充道。“它是一种不同的计算方式，让你在处理和分享我们所收集信息的能力方面，走上了一条不同的发展轨道。”

关于陆军官员感兴趣的量子计算具体应用案例，甘布尔表示，他们正专注于优化和后勤领域。通过解决传统系统无法在合理时间内完成的这些复杂优化问题，基于量子的计算机可以帮助他们确定哪些资源需要部署在战场的何处。此外，这些能力可以加强和保护通信空间。甘布尔补充道，即使在士兵知道敌方已侵入通信线路的情况下，基于量子的计算机仍能为士兵提供必要信息。这些系统在做到这一点的同时，还能保证作战人员的安全，并确保任务按计划进行。

陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室官员预计，他们可能永远无法完善这些技术，并将始终致力于改进。很难预测军方何时能获得先进的原子钟、电场传感器和量子计算机。

“量子信息仍然是一个非常新的领域，尤其是相对于已有数百年历史的其他物理学或科学领域而言，”甘布尔说。“我认为最令我兴奋的是，揭示这些我们现在尚未有深刻理解的应用领域。所以，我认为量子是一个特别适合探索这些问题，并可能找到可广泛用于解决陆军问题的领域的学科。”

她强调，伙伴关系对于推进这项目前仍处于起步阶段的研究至关重要。“这并非必然是我们拥有一个量子系统，我们知道这个量子系统能做到这个，这正好满足那个需求。我们当然会做这些，但我们同样也真正关注新兴技术领域，我们知道这些系统总体上可能在哪些方面为作战人员带来潜在优势，但这是基础研究，所以我们仍然无法确切知道长远来看会是什么样子，而这就是与学术界合作非常重要的地方。”

量子领域的复杂性和精确性使其成为一个要求很高的研究领域。从事这些技术研究的团队需要由合适的工程师和光学科学家组成，他们能够融合各自的知识和专长，为这些问题寻找解决方案。

“量子技术非常复杂，”法特米说。“它们需要材料科学、计算机科学、激光科学、光学科学以及众多领域的交叉融合。这是一个高度跨学科的领域——比如建造原子钟这样的东西。它是一个非常复杂的‘巨兽’，要获得卓越性能，你需要非常高性能的激光器。你需要理解原子-原子相互作用以及各种我们通常不会关注的其他相互作用。”

https://www.afcea.org/signal-media/emerging-edge/qualifying-quantum-tools-future-deployment