量子測(cè)量技術(shù)在航空制造業(yè)中的應(yīng)用前景

摘" 要：相比于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，量子測(cè)量技術(shù)具有更高的分辨率、靈敏度和穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展前景十分廣闊。量子測(cè)量技術(shù)提供航空零部件精密測(cè)量結(jié)果，用于復(fù)雜環(huán)境下的形變監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升飛行性能和安全性。新一代量子傳感技術(shù)可提供精度更高、性能更穩(wěn)定的航空器姿態(tài)、環(huán)境參數(shù)測(cè)量結(jié)果，從而改善導(dǎo)航和姿態(tài)控制的準(zhǔn)確性，提高航空器的安全性和任務(wù)執(zhí)行能力。目前，我國(guó)在量子測(cè)量領(lǐng)域起步較晚，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)探索了將量子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于航空領(lǐng)域的潛力，但仍處于理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)階段。未來研究中，進(jìn)一步加強(qiáng)量子測(cè)量技術(shù)與航空制造業(yè)深入結(jié)合，推動(dòng)科研成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，促使航空裝備的顛覆性變革。

關(guān)鍵詞：量子測(cè)量；量子傳感；精密測(cè)量；航空制造；航空裝備

中圖分類號(hào)：V11" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(tǒng)測(cè)量技術(shù)手段受限于衍射極限和散粒噪聲等因素，存在測(cè)量精度不高和易受干擾等問題，無(wú)法滿足航空制造領(lǐng)域的高精度、高靈敏度、高穩(wěn)定性測(cè)量需求。量子測(cè)量技術(shù)利用量子態(tài)的疊加和干涉效應(yīng)，通過對(duì)量子態(tài)的讀取和數(shù)據(jù)處理，可以突破傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)手段的測(cè)量極限，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的超高精度測(cè)量[1-2]。相比經(jīng)典測(cè)量系統(tǒng)，量子測(cè)量技術(shù)具有更高的分辨率、靈敏度和穩(wěn)定性，包括精密測(cè)量、量子計(jì)算和通信、量子傳感等方向，在空間探測(cè)、慣性制導(dǎo)、地質(zhì)勘測(cè)等重要領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景[3]。量子測(cè)量技術(shù)有望為航空制造工業(yè)提供先進(jìn)的傳感器，推動(dòng)新的測(cè)量科學(xué)和量子基準(zhǔn)的向前發(fā)展，進(jìn)一步提升導(dǎo)航、定時(shí)和目標(biāo)識(shí)別技術(shù)水平。

量子測(cè)量技術(shù)發(fā)展關(guān)系我國(guó)國(guó)防安全和國(guó)家發(fā)展，具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略價(jià)值，是一項(xiàng)對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊、進(jìn)行重構(gòu)的重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新。量子測(cè)量技術(shù)將在航空航天、對(duì)地觀測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，成為提升我國(guó)在高技術(shù)環(huán)境下防衛(wèi)作戰(zhàn)能力的重要手段，并在未來高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[4]。

1" 量子測(cè)量與航空制造關(guān)鍵技術(shù)

測(cè)量是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提。國(guó)際單位制（International System of Units， SI）作為全球統(tǒng)一的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，自1960年通過以來，成為國(guó)際計(jì)量體系的基石[5]。隨著原子物理和量子計(jì)量的不斷發(fā)展，SI單位體系中的7個(gè)基本單位——秒、開爾文、米、千克、安培、坎德拉和摩爾的定義，實(shí)現(xiàn)了從早期的實(shí)物基準(zhǔn)、自然基準(zhǔn)向基本物理常數(shù)定義的過渡[6]。2018年12月16日，第 26 屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM 2018）通過了 SI 的修訂“1號(hào)決議”[7]，決定自2019年5月20日起實(shí)行新的國(guó)際單位制。至此，SI基本單位全部實(shí)現(xiàn)了量子化定義。對(duì)比實(shí)物基準(zhǔn)，量子計(jì)量基準(zhǔn)更具有普適性和穩(wěn)定性，其準(zhǔn)確度可大幅度提高。新的SI定義將進(jìn)一步改變現(xiàn)有國(guó)防軍工計(jì)量體系，推進(jìn)軍工儀器儀表產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展，并促進(jìn)國(guó)防科技工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[8]。國(guó)內(nèi)，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院牽頭編制了5項(xiàng)量子測(cè)量領(lǐng)域國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（表1）。這些標(biāo)準(zhǔn)以量子測(cè)量為切入點(diǎn)，對(duì)量子技術(shù)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行了完善，重點(diǎn)解決量子產(chǎn)業(yè)中基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)缺失問題，進(jìn)一步推動(dòng)了我國(guó)量子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1.1" 航空零部件測(cè)量與精度檢測(cè)

航空器零部件測(cè)量和精度檢測(cè)對(duì)于確保航空器的飛行安全和性能至關(guān)重要，包括尺寸測(cè)量、表面粗糙度測(cè)量、幾何形狀測(cè)量、材料結(jié)構(gòu)測(cè)量等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。量子測(cè)量技術(shù)利用量子干涉效應(yīng)進(jìn)行位移測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)更高精度的航空器結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)（如水平位移、沉降、裂縫等）。同時(shí)，依據(jù)量子糾纏和糾錯(cuò)特性，該技術(shù)在測(cè)量過程中具備快速響應(yīng)、自動(dòng)修正測(cè)量誤差的優(yōu)勢(shì)，保障了航空零部件測(cè)量的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性。

針對(duì)復(fù)雜的航空零部件，量子測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的并行測(cè)量，不僅提高了測(cè)量效率，且減少對(duì)零部件的重復(fù)干擾。此外，基于光學(xué)投影儀、激光測(cè)距儀等傳統(tǒng)測(cè)量方法在進(jìn)行航空零部件測(cè)量時(shí)對(duì)環(huán)境噪聲有一定的要求，無(wú)法對(duì)高溫和高壓環(huán)境下工作的航空器開展高精度、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。量子測(cè)量具有不隨時(shí)間、空間和環(huán)境條件變化的高穩(wěn)定特點(diǎn)，適用于強(qiáng)噪聲環(huán)境，可以減少外界干擾對(duì)測(cè)量的影響，提高航空零部件測(cè)量的可靠性，可用于監(jiān)測(cè)航空器在復(fù)雜工況下的瞬態(tài)響應(yīng)。例如，國(guó)產(chǎn)研發(fā)的高精度掃描金剛石探針技術(shù)，具備高空間分辨率、高靈敏度的磁性成像能力，可對(duì)特種設(shè)備廣泛使用的鐵磁材料表面缺陷開展精密、無(wú)損測(cè)量[14]。

量子測(cè)量技術(shù)不僅對(duì)測(cè)量條件的要求較低，且測(cè)量精度大幅提高，將為航空裝備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、使用與維護(hù)的全生命周期過程提供計(jì)量保障支撐服務(wù)，提高裝備產(chǎn)品自身的測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性水平。

1.2" 航空傳感器精密測(cè)量

量子測(cè)量技術(shù)利用量子資源和效應(yīng)，通過測(cè)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(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)、電場(chǎng)、重力場(chǎng)等多種物理量的高靈敏度探測(cè)[15-16]。這項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于航空傳感器精密測(cè)量等多個(gè)方面，包括量子慣性導(dǎo)航、量子目標(biāo)識(shí)別、量子重力測(cè)量、量子磁場(chǎng)測(cè)量和時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量（表2）。利用量子慣性導(dǎo)航技術(shù)，可以提高慣性傳感器的穩(wěn)定性和精度，從而改善導(dǎo)航和姿態(tài)控制的準(zhǔn)確性[17]。例如，量子陀螺儀的理論精度是傳統(tǒng)的機(jī)電陀螺的測(cè)量精度的106倍[18]，原子重力儀的測(cè)量靈敏度是傳統(tǒng)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(cè)到極其微弱的信號(hào)[20]，可以為航空器提供精準(zhǔn)化導(dǎo)航與態(tài)勢(shì)感知支持。

利用量子測(cè)量技術(shù)，可以開發(fā)出適用于航空領(lǐng)域的更高靈敏度和更精確的目標(biāo)識(shí)別傳感器（如量子雷達(dá)）、磁場(chǎng)傳感器（如量子磁力儀），滿足低可見度、強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境條件下的目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤和識(shí)別，以及地磁校準(zhǔn)、無(wú)線電干擾監(jiān)測(cè)等需求，提高航空器的安全性和任務(wù)執(zhí)行能力。通過量子雷達(dá)技術(shù)，機(jī)載設(shè)備可以快速而精確地感知周圍環(huán)境，包括地面高度、建筑物、樹木等障礙物。在量子時(shí)鐘同步方面，量子測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間測(cè)量，可服務(wù)于航空交通管理系統(tǒng)中的時(shí)間同步、航班計(jì)時(shí)等業(yè)務(wù)。

2" 量子測(cè)量技術(shù)在航空制造業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，量子精密測(cè)量與傳感技術(shù)的研究熱度持續(xù)上升，主要集中在目標(biāo)識(shí)別、磁場(chǎng)測(cè)量、定位導(dǎo)航、重力測(cè)量和時(shí)頻同步等領(lǐng)域[24]。美國(guó)麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、哈佛大學(xué)、普林斯頓大學(xué)，新加坡國(guó)立大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)在量子測(cè)量領(lǐng)域取得大量原創(chuàng)性和突破性研究成果，量子測(cè)量與傳感精度領(lǐng)先世界，并量子測(cè)量領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研深化融合。例如，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功研發(fā)了全頻譜量子傳感器，可偵察整個(gè)無(wú)線電頻譜（0～100 GHz）的通信信號(hào)[25]。我國(guó)在量子測(cè)量領(lǐng)域起步較晚，呈現(xiàn)穩(wěn)步發(fā)展態(tài)勢(shì)。國(guó)防科技大學(xué)對(duì)射頻脈沖響應(yīng)能力進(jìn)行了研究，初步證明基于里德堡原子的射頻接收系統(tǒng)具備脈沖測(cè)距功能；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)基于金剛石氮-空位色心量子傳感器實(shí)現(xiàn)了皮特斯拉水平的高靈敏微波磁場(chǎng)測(cè)量[26]。中國(guó)電子科技集團(tuán)研制了一種量子雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、超衍射極限三維成像，將在未來進(jìn)一步有望實(shí)現(xiàn)對(duì)部分隱形戰(zhàn)機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤探測(cè)。此外，北京航空航天大學(xué)、中國(guó)航天科工集團(tuán)和中國(guó)科學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)也在量子陀螺、重力儀、磁力計(jì)等領(lǐng)域開展了大量研究，涉及的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平仍有差距，但正在逐步縮小。

國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和公司正探索將量子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于航空領(lǐng)域的潛力。美國(guó)在C-17運(yùn)輸機(jī)上測(cè)試了其基于量子傳感器的磁異常量子導(dǎo)航系統(tǒng)，為全球定位導(dǎo)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(cè)試，驗(yàn)證了航空器在不使用GPS進(jìn)行導(dǎo)航的情況下的飛行能力。同年，英國(guó)在飛機(jī)上成功演示了基于量子的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，使量子導(dǎo)航技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用邁出了重要一步。南京大學(xué)研制了全球首臺(tái)量子無(wú)人機(jī)，利用量子通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)和指令的可靠、穩(wěn)定和抗干擾傳輸。然而，量子測(cè)量技術(shù)在航空工業(yè)上的應(yīng)用還處于研究和實(shí)驗(yàn)階段，尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化服務(wù)應(yīng)用。

3" 結(jié)束語(yǔ)

新一代航空裝備對(duì)零部件測(cè)量和傳感器測(cè)量的精準(zhǔn)性提出更高要求，需對(duì)關(guān)鍵重要特性參數(shù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定性計(jì)量分析，以提高在航空裝備領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力和行業(yè)優(yōu)勢(shì)。量子測(cè)量技術(shù)在航空器硬件測(cè)量和檢測(cè)中具有潛力，它可以提供高精度、低噪聲、多參數(shù)測(cè)量和抗干擾優(yōu)勢(shì)，有助于確保航空器的性能可靠性和飛行安全?；诤娇諜C(jī)載平臺(tái)的量子傳感器，可應(yīng)用于對(duì)地（空）的高靈敏度和高分辨率目標(biāo)探測(cè)。然而，量子測(cè)量技術(shù)在航空零部件測(cè)量與精度檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于研究和探索階段，需要進(jìn)一步地實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和工程應(yīng)用探索。盡管量子測(cè)量技術(shù)在航空傳感器測(cè)量應(yīng)用具有很大的潛力，但目前仍處于研究和開發(fā)階段。隨著量子測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，航空量子傳感技術(shù)有望為航空領(lǐng)域帶來更高精度和更可靠的測(cè)量能力。

量子測(cè)量技術(shù)的研究與應(yīng)用涵蓋了眾多領(lǐng)域，且各自的技術(shù)背景和特點(diǎn)差異顯著。在航空裝備領(lǐng)域，如何有效開展多種量子傳感器的集成與測(cè)試，以及設(shè)計(jì)和制造微型化、智能化的量子傳感器，是當(dāng)前亟待解決的重要應(yīng)用難題。推動(dòng)量子測(cè)量技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用需要加強(qiáng)與航空工業(yè)的合作，形成從研發(fā)到應(yīng)用的閉環(huán)。通過與行業(yè)內(nèi)企業(yè)的緊密聯(lián)系，可以將理論成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)量子傳感器在航空裝備中的廣泛應(yīng)用，不僅有助于提升航空裝備的性能，推動(dòng)航空制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新，還將推動(dòng)量子測(cè)量技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，為科技進(jìn)步帶來全新機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張萌.量子測(cè)量技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展及其在通信網(wǎng)中的應(yīng)用展望[J].信息通信技術(shù)與政策，2020（4）：66-71.

[2] 王琦，李蒙，沈興中，等.量子測(cè)量技術(shù)內(nèi)涵與發(fā)展[J].中國(guó)測(cè)試，2024，50（2）：1-6.

[3] 徐婧，唐川，楊況駿瑜.量子傳感與測(cè)量領(lǐng)域國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)分析[J].世界科技研究與發(fā)展，2022，44（1）：46-58.

[4] 張玉強(qiáng)，林國(guó)語(yǔ)，李立緯，等.量子技術(shù)軍事應(yīng)用探析[J].中國(guó)設(shè)備工程，2022（15）：231-233.

[5] BIPM. Resolution 12 of the 11th CGPM[C]// The 11th CGPM， Paris， France， 1960.

[6] 馬愛文，曲興華.SI基本單位量子化重新定義及其意義[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2020，41（2）：129-133.

[7] BIPM.Resolution 1 of the 26th of the CGPM[C]// The 26th CGPM， Paris， France， 2018.

[8] 劉浩，張鐵犁，高小強(qiáng).計(jì)量量子化變革的影響與思考[J].工業(yè)計(jì)量，2024，34（1）：85-88.

[9] 全國(guó)量子計(jì)算與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).量子測(cè)量術(shù)語(yǔ)：GB/T 43737—2024[S].2024.

[10] 全國(guó)量子計(jì)算與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).原子重力儀性能要求和測(cè)試方法：GB/T 43740—2024[S].2024.

[11] 全國(guó)量子計(jì)算與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).單光子源性能表征及測(cè)量方法：GB/T 43784—2024[S].2024.

[12] 全國(guó)量子計(jì)算與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).光鐘性能表征及測(cè)量方法：GB/T 43785—2024[S].2024.

[13] 全國(guó)量子計(jì)算與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).量子精密測(cè)量中里德堡原子制備方法：GB/T 43735—2024[S].2024.

[14] 范華林，史紅兵，趙博文，等.基于量子精密測(cè)量的鐵磁材料表面無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究[J].無(wú)損探傷，2024，48（6）：15-19.

[15] 葛萌，張鐵犁，劉浩，等.量子精密測(cè)量技術(shù)及其在測(cè)量領(lǐng)域的典型應(yīng)用[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2023，43（6）：1-6.

[16] 賈鳳東，郝建海，崔越，等.基于里德堡原子的微波全信息測(cè)量[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2024，44（1）：1-22.

[17] 吳德偉，苗強(qiáng)，何思璇，等.量子傳感的導(dǎo)航應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，22（6）：67-76.

[18] 張淋，高偉，李倩.冷原子干涉陀螺儀實(shí)現(xiàn)及其性能分析[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2018，39（7）：11-18.

[19] 李嘉華，姜伯楠.原子干涉重力測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].導(dǎo)航與控制，2019，18（3）：1-6，81.

[20] 關(guān)策，張子靜，岑龍柱，等.量子外差精密測(cè)量及微弱信號(hào)感知技術(shù)綜述[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2023，43（3）：91-98.

[21] 白文浩，吳驥，杜宇，等.基于先進(jìn)量子測(cè)量技術(shù)的雷達(dá)發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2023，43（3）：11-15，39.

[22] 李小芳，程華富，包忠，等.基于量子測(cè)量技術(shù)的磁學(xué)計(jì)量發(fā)展概述[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2024，44（1）：7-13，65.

[23] ZHANG S-C，DONG Y，DU B，et al.A robust fiber-based quantum thermometer coupled with nitrogen-vacancy centers[J].Review of Scientific Instruments， 2021， 92（4）：044904.

[24] 張萌，賴俊森.量子測(cè)量技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用趨勢(shì)分析[J].信息通信技術(shù)與政策，2021，47（9）：72-78.

[25] MEYER D H， CASTILLO Z A， COX K C， et al. Assessment of Rydberg atoms for wideband electric field sensing[J]. Journal of Physics B： Atomic， Molecular and Optical Physics， 2020， 53（3）： 034001.

[26] WANG Z， KONG F， ZHAO P， et al. Picotesla magnetometry of microwave fields with diamond sensors[J]. Science Advances， 2022，8（31）： eabq8158.