量子传感与国家安全：航天和国防领域应用

2026年6月 关于量子经济发展联盟量子经济发展联盟（QED-C®）是全球量子技术市场的顶尖先驱者协会。QED-C的成员推动量子技术的实际应用，进而促 进了一个强大商业产业和供应链的发展。 QED-C地处科技、学术界、商业、创业及政策制定交汇点，独特之处在于能够促进产业所需之合作。QED-C是专家与组织分享知识、共同塑造量子技术发展路径的场所。 QED-C由SRI管理。 致谢 感谢QED-C航天与国防工作组发起并指导此项研究。没有以下成员的领导与贡献，本报告将无法完成： • 艾利·阿尔哈贾尔，兰德公共政策学院 • 穆奈尔·阿尔绍坎，橡树岭国家实验室 • 约翰·伯克，比肯光电 • 扎卡里·达顿，RTX • 多娜·科卡克，L3Harris技术公司（前） • 格温·莱弗，洛克希德·马丁 • 博格丹·内库莱斯，波音公司 • 萨伊德·佩加汉，Modulight • 乔安娜·彼得斯，StratConGlobal • 谢尔盖·波利亚科夫，美国国家标准与技术研究院 • 里马·卡西娅·乌埃德，能源部 • 乔纳森·惠勒，诺斯罗普·格鲁曼 谨向主持研讨会的乔纳森·惠勒（诺斯罗普·格鲁曼公司）、提供富有见地对话与反馈的伊莱·桑切斯（麻省理工学院）以及提供启发性主旨演讲、为研讨会及报告提供框架的里马·卡西娅·乌埃德（美国能源部）致以特别感谢。 以下 SRI 的工作人员为这份报告做出了贡献：• 詹妮弗·艾弗里，乔丹·巴斯，雷耶琳·科维尔，玛丽·贝丝·凯利，克里斯蒂娜·麦弗兰德，瑞安·内塞洛德特，卢西恩·兰达泽塞，布兰登·范·霍夫，安妮·维霍夫 • 赛莉娅·梅尔扎赫，QED-C执行主任 • 乔纳森·费尔宾格，QED-C副主任 本报告讨论的主题基于2026年3月5日举办的太空与国防量子传感用例研讨会，并参考了公开可用的资料以及与领域专家的访谈。 建议引文量子经济发展联盟（QED-C）。量子传感与国家安全：空间与国防应用评估。弗吉尼亚州阿灵顿：SRI。2026年6月 。https://quantumconsortium.org/publication/quantum-sensing-and-national-security-an-assessment-of-space-and-defense-applications/ 政府目的权利协议编号：OTA-2019-0001 合同方名称：SRI 合同方地址：333 Ravenswood Avenue, Menlo Park, CA 94025 到期日期：永久使用、复制或披露需遵守NIST与SRI协议中所述的限制。 非美国政府通知 ©2026 SRI国际。保留所有权利。 免责声明 本出版物由SRI国际管理下的量子经济发展联盟发布，不一定代表SRI国际、任何个人QED-C成员或任何政府机构的观点。 执行摘要 精密测量对于许多美国太空与国防任务至关重要，包括抗GPS干扰导航、导弹防御、爆炸装置探测、卫星定位、电子战和安全通信。利用原子、光子、电子自旋或核自旋等量子系统进行高精度测量的量子传感器，目前已支持其中部分任务；例如，原子钟对于GPS至关重要。随着专注投资和现实评估的推进，下一代量子传感器在未来几年内很可能为任务做出显著更大的贡献。 尽管这些技术提供了非凡的测量能力，但它们并非单一的技术方案。其性能、坚固性、成本和操作准备状态差异很大。通常，它们与已经高度敏感、可靠且集成到现有系统中的成熟、广泛使用的经典传感器竞争。因此，量子传感器只有在能够为航天和国防最终用户可靠地提供与任务相关的优势时，才能找到实际应用。 量子传感器最吸引人的地方在于，当任务瓶颈在于测量灵敏度、计时稳定性、长期漂移或固有校准时，而不是当限制因素是覆盖范围、环境杂波、平台密度或可靠性时。那么，相关的问题就不是量子传感器在实验室里是否更灵敏，而是在实际工作条件下它是否改善了任务成果。 最明确的中期机遇在于精密计时。光学原子钟正迈向实用化应用，有望在GPS拒止环境下提升计时与同步性能，从而延长分布式传感、通信、导航及指挥控制应用的高质量自主守时能力。中期机遇还包括GPS拒止的磁异常导航，尤其是在长航程/长时程飞行任务中作为惯性导航系统的补充。中长期机遇还包括用于电子战、信号情报及宽带频谱监测的里德堡原子射频传感，以及用于潜艇、飞机和航天平台的混合量子惯性导航。 其他应用则更为谨慎。无人机搭载的量子磁强计可能有助于探测埋藏地雷、自制爆炸装置（IED）和未爆弹药（UXO），但这前提是它们能在真实的杂波、高度和平台噪声条件下提升作战性能。量子磁强计也可能为浅水或短程磁异常探测（MAD）提供特定的益处。相比之下，现有证据并未支持量子磁强计能让海洋“透明化”或实质性削弱美国战略潜艇的生存能力。快速磁场衰减、地磁噪声以及可用的反制措施，都极大地限制了它们在公海战略潜艇探测中的相关性。量子雷达和远程中微子探测在作战防御应用方面也仍处于边缘或推测阶段。 所有模态都存在工程和转型挑战。量子传感器必须在振动、辐射、热应力、磁干扰和长期运行的同时证明其可靠性，同时还要减小尺寸、重量、功耗和成本。芯片级原子钟的经验表明，仅靠技术成功和商业化是不够的； 成功的防御转型同样需要资格标准、整合途径、可制造的设计、可行的供应商基础以及忠诚的使命客户。 因此，联邦投资应作为投资组合进行管理，以加速对近期和中期最具优势的应用的转型，同时保留在那些如果技术障碍得以克服，其任务价值可能巨大的高风险领域的研究选项。为此，战争部应建立并应用一种在操作现实条件下（包括与空间相关的环境和经典替代方案的预期改进）评估量子传感器优势的通用方法。该框架应不仅比较候选系统在实验室灵敏度方面的表现，还应比较其任务影响、尺寸、重量、功耗、成本、动态范围、更新率、可靠性、环境鲁棒性、反制措施易感性以及集成负担。一份非机密版本将为开发者、评估者和政策制定者提供一个共同的基准，以区分可信优势与孤立提出的性能主张。 该部门还应委托进行一项针对军事和太空应用的量子传感最新机密政府评估。此类评估应使用机密运营数据、威胁信息和平台限制来测试哪些应用在现实任务条件下仍然可信，同时应生成一份非机密摘要，以指导政策制定者、项目管理人员和技术开发者。 同步地，该部门应通过建立端到端测试能力，弥合量子传感器的空间测试差距，该测试能力需将与空间相关的环境条件与量子特有的性能表征相结合，覆盖芯片级组件直至集成传感器系统，并为小型企业提供低摩擦的准入机会。最后，随着量子传感器采购的逐步扩大，该部门应在早期项目平台中融入可制造性和供应链考量，包括关注单一源组件、单元间重复性，以及特种激光器、蒸汽室、低温和真空子系统的国内供应商多元化。 若量子传感器在能够发挥其优势并弥补其局限性的背景下得到研发和部署，它们将能实质性地强化美国国家安全。目标应是加速在量子传感提供实际操作价值的地方的部署，同时避免将资源耗费在那些优势可能始终边缘化的概念上。 目录引言 ........................................................................................................................... 1 引言 未来的战场或太空建筑并非仅由传感器决定，但几乎没有任务能在没有它们的情况下成功。在GPS拒止环境下进行导航、导弹预警与防御、电子战、卫星定位、潜艇作战、埋藏威胁探测以及太空领域态势感知，所有这些都依赖于在极端条件下进行可靠测量的能力。在这些场景中，更精确的测量意味着更好的时机把握、更精准的定位、更好的区分能力以及更好的决策。它也意味着避免投资那些理论上看似具有变革性，但在实践中却几乎不提供作战优势的能力。 量子传感器利用原子、光子以及电子或核自旋的可控量子特性进行高精度测量。它们能够提供独特的传感能力，在某些情况下，对于测量时间、加速度、重力、旋转、磁场和电场具有无与伦比的灵敏度。1 成熟的量子传感技术几十年来一直支撑着关键系统。例如，全球定位系统（GPS）依赖于原子钟提供的时间校正。2 空间中的量子传感也有着深厚的根基：美国国家航空航天局（NASA）在1964年的水手火星任务中飞行了首个量子磁强计。3 对量子传感的兴趣日益增长，这既体现了机遇，也带来了压力。由于传感器是许多国防任务的核心，战争部在推动量子传感方面发挥着核心作用，作为研究执行者、资金提供者和潜在最终用户。4 战争部研究与工程副部长办公室（OUSW[R&E]）已将“量子战场信息优势”确定为六大关键技术领域之一，并且《国防授权法案》使2026财年的量子技术资金比上一年增加了两倍多。5 国防领域的兴趣也支持了小型商业量子传感器生态系统的发展，其中国防最终用户是主要的潜在客户。6 因此，政府需求不仅能够决定哪些技术走向成熟，也能够影响哪些主张获得关注。 量子传感器将在向太空和国防终端用户提供可信的、与任务相关的优势时发挥最重要的作用。 这使得谨慎评估至关重要。在2019年对量子技术的分析中，国防科学委员会将量子传感应用描述为“已准备好投入任务使用”。7 然而，在国防任务中的采用仍然有限。原因并非量子传感器缺乏前景。而是没有单一的量子传感应用场景。量子传感技术的成熟度及其潜在国防影响差异很大。8 传感器必须与经过验证的高性能商业替代方案竞争，经受数年的资格认证过程，并在严苛的环境中保持卓越性能。9 即使量子传感器在实地测试中表现出更高的灵敏度，这种优势也可能以动态范围较弱、数据速率较低、校准要求更高、成本更高或可靠性降低为代价。 核心问题并非量子传感器能否测量极微弱的信号，而是它们能否在实际工作条件下为任务提供关键优势。当传感器噪声并非任务的主要瓶颈、环境杂波主导信号、覆盖范围比精度更重要，或对手能够廉价部署反制措施时，仅提高测量灵敏度并不能提升系统性能。相反，当任务依赖于超精密计时、长期惯性稳定性、亚热噪声探测、固有校准，或经典系统难以提供的测量时，量子传感器可能具有极高价值。 这种区别很重要，因为对新兴传感能力的评估可以塑造项目优先级、采购决策以及长期部队规划辩论。一些量子传感技术正朝着实际应用演示方向取得实质性进展，包括光学钟、磁导航（MagNav）系统和选定的量子惯性传感器。另一些技术前景看好，但仍需证明实验室或原型性能能够转化为真实作战环境下的任务优势。还有一些技术涉及潜在应用，其中底层技术可能可行，但任务影响未必会随之而来。声称量子磁力计能够改变公海战略潜艇探测的说法就属于此类：磁灵敏度提升是真实的，但基本作用距离限制、环境噪声以及反制措施严重限制了其作战价值。 政府项目开始着手解决这些问题。国防高级研究计划局（DARPA）的“鲁棒量子传感”计划专注于将量子传感器与嘈杂的国防平台集成所面临的挑战。¹⁰ 国防创新局（DIU）和DARPA也运行试点项目以推进量子传感器的发展，各军种已经在军事演习中展示了量子传感器辅助导航。¹¹ 这些努力反映出该领域正从实验室演示转向作战评估，但它们也凸显了需要更清晰的基准、测试基础设施和转型路径。 量子传感器在需要超精确计时、亚热噪声探测或精确惯性测量的应用中最为有用。 本报告评估了量子传感器如何通过精选用例推动太空与国防任务的发展。报告重点关注新兴传感器技术成熟到具备清晰应用路径的阶段。实验室中突破测量极限的发现依然重要且值得持续关注，但本报告除精选案例外不对其进行收录。报告回顾了量子传感技术、成熟度及部署要求；调研了美国联邦在量子传感领域的投资以及影响采用的转型挑战；并识别了同步与计时、定位与导航、探测以及太空领域应用等方面的主要传感挑战。最后一章评估了具体的技术-应用组合，以确定量子传感器最有可能实现操作效益的领域、时间表以及部署时面临的剩余障碍。 本报告基于2022年QED-C出版物《量子传感用例》，该出版物评估了量子传感在太空和国防领域的多种机遇。¹² 本报告通过结合利益相关方参与、定向研究和迭代审查的多阶段过程开发而成，旨在考察量子