量子測量技術在航空制造業中的應用前景

摘" 要：相比于傳統測量技術，量子測量技術具有更高的分辨率、靈敏度和穩定性的優勢，其發展前景十分廣闊。量子測量技術提供航空零部件精密測量結果，用于復雜環境下的形變監測和結構設計，提升飛行性能和安全性。新一代量子傳感技術可提供精度更高、性能更穩定的航空器姿態、環境參數測量結果，從而改善導航和姿態控制的準確性，提高航空器的安全性和任務執行能力。目前，我國在量子測量領域起步較晚，相關研究機構探索了將量子測量技術應用于航空領域的潛力，但仍處于理論設計和實驗階段。未來研究中，進一步加強量子測量技術與航空制造業深入結合，推動科研成果轉化應用，促使航空裝備的顛覆性變革。

關鍵詞：量子測量；量子傳感；精密測量；航空制造；航空裝備

中圖分類號：V11" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）35-0027-04

Abstract： Compared to traditional measurement techniques， quantum measurement technology has the advantages of higher resolution， sensitivity and stability， and its development prospects are very broad. Quantum measurement technology provides precise measurement results of aerospace parts and components for deformation monitoring and structural design in complex environments to improve flight performance and safety. The new generation of quantum sensing technology can provide higher precision and more stable performance measurement results of aircraft attitude and environmental parameters， thereby improving the accuracy of navigation and attitude control， and improving the safety and mission execution capabilities of the aircraft. At present， China started late in the field of quantum measurement， and relevant research institutions have explored the potential of applying quantum measurement technology to the aviation field， but they are still in the theoretical design and experimental stage. In future research， we will further strengthen the in-depth integration of quantum measurement technology and aviation manufacturing industry， promote the transformation and application of scientific research results， and promote disruptive changes in aviation equipment.

Keywords： quantum measurement; quantum sensing; precision measurement; aviation manufacturing; aviation equipment

傳統測量技術手段受限于衍射極限和散粒噪聲等因素，存在測量精度不高和易受干擾等問題，無法滿足航空制造領域的高精度、高靈敏度、高穩定性測量需求。量子測量技術利用量子態的疊加和干涉效應，通過對量子態的讀取和數據處理，可以突破傳統測量技術手段的測量極限，實現對物理量的超高精度測量[1-2]。相比經典測量系統，量子測量技術具有更高的分辨率、靈敏度和穩定性，包括精密測量、量子計算和通信、量子傳感等方向，在空間探測、慣性制導、地質勘測等重要領域具有廣闊的發展和應用前景[3]。量子測量技術有望為航空制造工業提供先進的傳感器，推動新的測量科學和量子基準的向前發展，進一步提升導航、定時和目標識別技術水平。

量子測量技術發展關系我國國防安全和國家發展，具有重大科學意義和戰略價值，是一項對傳統測量技術體系產生沖擊、進行重構的重大顛覆性技術創新。量子測量技術將在航空航天、對地觀測等領域展現出顯著優勢，成為提升我國在高技術環境下防衛作戰能力的重要手段，并在未來高技術局部戰爭中發揮關鍵作用[4]。

1" 量子測量與航空制造關鍵技術

測量是科學技術發展的基礎和前提。國際單位制（International System of Units， SI）作為全球統一的計量標準，自1960年通過以來，成為國際計量體系的基石[5]。隨著原子物理和量子計量的不斷發展，SI單位體系中的7個基本單位——秒、開爾文、米、千克、安培、坎德拉和摩爾的定義，實現了從早期的實物基準、自然基準向基本物理常數定義的過渡[6]。2018年12月16日，第 26 屆國際計量大會（CGPM 2018）通過了 SI 的修訂“1號決議”[7]，決定自2019年5月20日起實行新的國際單位制。至此，SI基本單位全部實現了量子化定義。對比實物基準，量子計量基準更具有普適性和穩定性，其準確度可大幅度提高。新的SI定義將進一步改變現有國防軍工計量體系，推進軍工儀器儀表產業的創新和發展，并促進國防科技工業的進一步發展[8]。國內，中國計量科學研究院牽頭編制了5項量子測量領域國家標準（表1）。這些標準以量子測量為切入點，對量子技術領域標準體系進行了完善，重點解決量子產業中基礎共性標準缺失問題，進一步推動了我國量子技術和產業的高質量發展。

1.1" 航空零部件測量與精度檢測

航空器零部件測量和精度檢測對于確保航空器的飛行安全和性能至關重要，包括尺寸測量、表面粗糙度測量、幾何形狀測量、材料結構測量等關鍵環節。量子測量技術利用量子干涉效應進行位移測量，可實現更高精度的航空器結構變形監測（如水平位移、沉降、裂縫等）。同時，依據量子糾纏和糾錯特性，該技術在測量過程中具備快速響應、自動修正測量誤差的優勢，保障了航空零部件測量的實時性、準確性和可靠性。

針對復雜的航空零部件，量子測量技術可以實現多參數的并行測量，不僅提高了測量效率，且減少對零部件的重復干擾。此外，基于光學投影儀、激光測距儀等傳統測量方法在進行航空零部件測量時對環境噪聲有一定的要求，無法對高溫和高壓環境下工作的航空器開展高精度、實時動態測量。量子測量具有不隨時間、空間和環境條件變化的高穩定特點，適用于強噪聲環境，可以減少外界干擾對測量的影響，提高航空零部件測量的可靠性，可用于監測航空器在復雜工況下的瞬態響應。例如，國產研發的高精度掃描金剛石探針技術，具備高空間分辨率、高靈敏度的磁性成像能力，可對特種設備廣泛使用的鐵磁材料表面缺陷開展精密、無損測量[14]。

量子測量技術不僅對測量條件的要求較低，且測量精度大幅提高，將為航空裝備產品的設計、生產、試驗、使用與維護的全生命周期過程提供計量保障支撐服務，提高裝備產品自身的測量準確度和可靠性水平。

1.2" 航空傳感器精密測量

量子測量技術利用量子資源和效應，通過測量各微觀粒子（如電子、光子、聲子）因外界因素作用而變化的量子態信息，可實現磁場、電場、重力場等多種物理量的高靈敏度探測[15-16]。這項技術可應用于航空傳感器精密測量等多個方面，包括量子慣性導航、量子目標識別、量子重力測量、量子磁場測量和時間基準測量（表2）。利用量子慣性導航技術，可以提高慣性傳感器的穩定性和精度，從而改善導航和姿態控制的準確性[17]。例如，量子陀螺儀的理論精度是傳統的機電陀螺的測量精度的106倍[18]，原子重力儀的測量靈敏度是傳統重力儀的103倍[19]。這種超高靈敏度使得量子傳感器能夠探測到極其微弱的信號[20]，可以為航空器提供精準化導航與態勢感知支持。

利用量子測量技術，可以開發出適用于航空領域的更高靈敏度和更精確的目標識別傳感器（如量子雷達）、磁場傳感器（如量子磁力儀），滿足低可見度、強干擾等惡劣環境條件下的目標檢測、跟蹤和識別，以及地磁校準、無線電干擾監測等需求，提高航空器的安全性和任務執行能力。通過量子雷達技術，機載設備可以快速而精確地感知周圍環境，包括地面高度、建筑物、樹木等障礙物。在量子時鐘同步方面，量子測量技術可以實現高精度的時間測量，可服務于航空交通管理系統中的時間同步、航班計時等業務。

2" 量子測量技術在航空制造業的應用現狀

近年來，量子精密測量與傳感技術的研究熱度持續上升，主要集中在目標識別、磁場測量、定位導航、重力測量和時頻同步等領域[24]。美國麻省理工學院、斯坦福大學、哈佛大學、普林斯頓大學，新加坡國立大學等研究機構在量子測量領域取得大量原創性和突破性研究成果，量子測量與傳感精度領先世界，并量子測量領域的產學研深化融合。例如，美國陸軍研究實驗室已經成功研發了全頻譜量子傳感器，可偵察整個無線電頻譜（0～100 GHz）的通信信號[25]。我國在量子測量領域起步較晚，呈現穩步發展態勢。國防科技大學對射頻脈沖響應能力進行了研究，初步證明基于里德堡原子的射頻接收系統具備脈沖測距功能；中國科學技術大學基于金剛石氮-空位色心量子傳感器實現了皮特斯拉水平的高靈敏微波磁場測量[26]。中國電子科技集團研制了一種量子雷達系統，實現全天時、超衍射極限三維成像，將在未來進一步有望實現對部分隱形戰機實時跟蹤探測。此外，北京航空航天大學、中國航天科工集團和中國科學院等科研機構也在量子陀螺、重力儀、磁力計等領域開展了大量研究，涉及的關鍵指標參數與國際先進水平仍有差距，但正在逐步縮小。

國內外研究機構和公司正探索將量子測量技術應用于航空領域的潛力。美國在C-17運輸機上測試了其基于量子傳感器的磁異常量子導航系統，為全球定位導航提供了替代方案。2024年，波音公司完成了包括量子慣性傳感器等多種量子傳感器的飛行測試，驗證了航空器在不使用GPS進行導航的情況下的飛行能力。同年，英國在飛機上成功演示了基于量子的慣性導航系統，使量子導航技術向實際應用邁出了重要一步。南京大學研制了全球首臺量子無人機，利用量子通信技術，實現飛行數據和指令的可靠、穩定和抗干擾傳輸。然而，量子測量技術在航空工業上的應用還處于研究和實驗階段，尚未實現商業化服務應用。

3" 結束語

新一代航空裝備對零部件測量和傳感器測量的精準性提出更高要求，需對關鍵重要特性參數實現長期穩定性計量分析，以提高在航空裝備領域的核心競爭力和行業優勢。量子測量技術在航空器硬件測量和檢測中具有潛力，它可以提供高精度、低噪聲、多參數測量和抗干擾優勢，有助于確保航空器的性能可靠性和飛行安全。基于航空機載平臺的量子傳感器，可應用于對地（空）的高靈敏度和高分辨率目標探測。然而，量子測量技術在航空零部件測量與精度檢測領域的應用還處于研究和探索階段，需要進一步地實驗驗證和工程應用探索。盡管量子測量技術在航空傳感器測量應用具有很大的潛力，但目前仍處于研究和開發階段。隨著量子測量技術的進一步發展，航空量子傳感技術有望為航空領域帶來更高精度和更可靠的測量能力。

量子測量技術的研究與應用涵蓋了眾多領域，且各自的技術背景和特點差異顯著。在航空裝備領域，如何有效開展多種量子傳感器的集成與測試，以及設計和制造微型化、智能化的量子傳感器，是當前亟待解決的重要應用難題。推動量子測量技術的實際應用需要加強與航空工業的合作，形成從研發到應用的閉環。通過與行業內企業的緊密聯系，可以將理論成果轉化為實際產品，實現量子傳感器在航空裝備中的廣泛應用，不僅有助于提升航空裝備的性能，推動航空制造業的技術進步和創新，還將推動量子測量技術在其他領域的應用，為科技進步帶來全新機遇。

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