量子测量技术在航空制造业中的应用前景

摘" 要：相比于传统测量技术，量子测量技术具有更高的分辨率、灵敏度和稳定性的优势，其发展前景十分广阔。量子测量技术提供航空零部件精密测量结果，用于复杂环境下的形变监测和结构设计，提升飞行性能和安全性。新一代量子传感技术可提供精度更高、性能更稳定的航空器姿态、环境参数测量结果，从而改善导航和姿态控制的准确性，提高航空器的安全性和任务执行能力。目前，我国在量子测量领域起步较晚，相关研究机构探索了将量子测量技术应用于航空领域的潜力，但仍处于理论设计和实验阶段。未来研究中，进一步加强量子测量技术与航空制造业深入结合，推动科研成果转化应用，促使航空装备的颠覆性变革。

关键词：量子测量；量子传感；精密测量；航空制造；航空装备

中图分类号：V11" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

传统测量技术手段受限于衍射极限和散粒噪声等因素，存在测量精度不高和易受干扰等问题，无法满足航空制造领域的高精度、高灵敏度、高稳定性测量需求。量子测量技术利用量子态的叠加和干涉效应，通过对量子态的读取和数据处理，可以突破传统测量技术手段的测量极限，实现对物理量的超高精度测量[1-2]。相比经典测量系统，量子测量技术具有更高的分辨率、灵敏度和稳定性，包括精密测量、量子计算和通信、量子传感等方向，在空间探测、惯性制导、地质勘测等重要领域具有广阔的发展和应用前景[3]。量子测量技术有望为航空制造工业提供先进的传感器，推动新的测量科学和量子基准的向前发展，进一步提升导航、定时和目标识别技术水平。

量子测量技术发展关系我国国防安全和国家发展，具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统测量技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新。量子测量技术将在航空航天、对地观测等领域展现出显著优势，成为提升我国在高技术环境下防卫作战能力的重要手段，并在未来高技术局部战争中发挥关键作用[4]。

1" 量子测量与航空制造关键技术

测量是科学技术发展的基础和前提。国际单位制（International System of Units， SI）作为全球统一的计量标准，自1960年通过以来，成为国际计量体系的基石[5]。随着原子物理和量子计量的不断发展，SI单位体系中的7个基本单位——秒、开尔文、米、千克、安培、坎德拉和摩尔的定义，实现了从早期的实物基准、自然基准向基本物理常数定义的过渡[6]。2018年12月16日，第 26 届国际计量大会（CGPM 2018）通过了 SI 的修订“1号决议”[7]，决定自2019年5月20日起实行新的国际单位制。至此，SI基本单位全部实现了量子化定义。对比实物基准，量子计量基准更具有普适性和稳定性，其准确度可大幅度提高。新的SI定义将进一步改变现有国防军工计量体系，推进军工仪器仪表产业的创新和发展，并促进国防科技工业的进一步发展[8]。国内，中国计量科学研究院牵头编制了5项量子测量领域国家标准（表1）。这些标准以量子测量为切入点，对量子技术领域标准体系进行了完善，重点解决量子产业中基础共性标准缺失问题，进一步推动了我国量子技术和产业的高质量发展。

1.1" 航空零部件测量与精度检测

航空器零部件测量和精度检测对于确保航空器的飞行安全和性能至关重要，包括尺寸测量、表面粗糙度测量、几何形状测量、材料结构测量等关键环节。量子测量技术利用量子干涉效应进行位移测量，可实现更高精度的航空器结构变形监测（如水平位移、沉降、裂缝等）。同时，依据量子纠缠和纠错特性，该技术在测量过程中具备快速响应、自动修正测量误差的优势，保障了航空零部件测量的实时性、准确性和可靠性。

针对复杂的航空零部件，量子测量技术可以实现多参数的并行测量，不仅提高了测量效率，且减少对零部件的重复干扰。此外，基于光学投影仪、激光测距仪等传统测量方法在进行航空零部件测量时对环境噪声有一定的要求，无法对高温和高压环境下工作的航空器开展高精度、实时动态测量。量子测量具有不随时间、空间和环境条件变化的高稳定特点，适用于强噪声环境，可以减少外界干扰对测量的影响，提高航空零部件测量的可靠性，可用于监测航空器在复杂工况下的瞬态响应。例如，国产研发的高精度扫描金刚石探针技术，具备高空间分辨率、高灵敏度的磁性成像能力，可对特种设备广泛使用的铁磁材料表面缺陷开展精密、无损测量[14]。

量子测量技术不仅对测量条件的要求较低，且测量精度大幅提高，将为航空装备产品的设计、生产、试验、使用与维护的全生命周期过程提供计量保障支撑服务，提高装备产品自身的测量准确度和可靠性水平。

1.2" 航空传感器精密测量

量子测量技术利用量子资源和效应，通过测量各微观粒子（如电子、光子、声子）因外界因素作用而变化的量子态信息，可实现磁场、电场、重力场等多种物理量的高灵敏度探测[15-16]。这项技术可应用于航空传感器精密测量等多个方面，包括量子惯性导航、量子目标识别、量子重力测量、量子磁场测量和时间基准测量（表2）。利用量子惯性导航技术，可以提高惯性传感器的稳定性和精度，从而改善导航和姿态控制的准确性[17]。例如，量子陀螺仪的理论精度是传统的机电陀螺的测量精度的106倍[18]，原子重力仪的测量灵敏度是传统重力仪的103倍[19]。这种超高灵敏度使得量子传感器能够探测到极其微弱的信号[20]，可以为航空器提供精准化导航与态势感知支持。

利用量子测量技术，可以开发出适用于航空领域的更高灵敏度和更精确的目标识别传感器（如量子雷达）、磁场传感器（如量子磁力仪），满足低可见度、强干扰等恶劣环境条件下的目标检测、跟踪和识别，以及地磁校准、无线电干扰监测等需求，提高航空器的安全性和任务执行能力。通过量子雷达技术，机载设备可以快速而精确地感知周围环境，包括地面高度、建筑物、树木等障碍物。在量子时钟同步方面，量子测量技术可以实现高精度的时间测量，可服务于航空交通管理系统中的时间同步、航班计时等业务。

2" 量子测量技术在航空制造业的应用现状

近年来，量子精密测量与传感技术的研究热度持续上升，主要集中在目标识别、磁场测量、定位导航、重力测量和时频同步等领域[24]。美国麻省理工学院、斯坦福大学、哈佛大学、普林斯顿大学，新加坡国立大学等研究机构在量子测量领域取得大量原创性和突破性研究成果，量子测量与传感精度领先世界，并量子测量领域的产学研深化融合。例如，美国陆军研究实验室已经成功研发了全频谱量子传感器，可侦察整个无线电频谱（0～100 GHz）的通信信号[25]。我国在量子测量领域起步较晚，呈现稳步发展态势。国防科技大学对射频脉冲响应能力进行了研究，初步证明基于里德堡原子的射频接收系统具备脉冲测距功能；中国科学技术大学基于金刚石氮-空位色心量子传感器实现了皮特斯拉水平的高灵敏微波磁场测量[26]。中国电子科技集团研制了一种量子雷达系统，实现全天时、超衍射极限三维成像，将在未来进一步有望实现对部分隐形战机实时跟踪探测。此外，北京航空航天大学、中国航天科工集团和中国科学院等科研机构也在量子陀螺、重力仪、磁力计等领域开展了大量研究，涉及的关键指标参数与国际先进水平仍有差距，但正在逐步缩小。

国内外研究机构和公司正探索将量子测量技术应用于航空领域的潜力。美国在C-17运输机上测试了其基于量子传感器的磁异常量子导航系统，为全球定位导航提供了替代方案。2024年，波音公司完成了包括量子惯性传感器等多种量子传感器的飞行测试，验证了航空器在不使用GPS进行导航的情况下的飞行能力。同年，英国在飞机上成功演示了基于量子的惯性导航系统，使量子导航技术向实际应用迈出了重要一步。南京大学研制了全球首台量子无人机，利用量子通信技术，实现飞行数据和指令的可靠、稳定和抗干扰传输。然而，量子测量技术在航空工业上的应用还处于研究和实验阶段，尚未实现商业化服务应用。

3" 结束语

新一代航空装备对零部件测量和传感器测量的精准性提出更高要求，需对关键重要特性参数实现长期稳定性计量分析，以提高在航空装备领域的核心竞争力和行业优势。量子测量技术在航空器硬件测量和检测中具有潜力，它可以提供高精度、低噪声、多参数测量和抗干扰优势，有助于确保航空器的性能可靠性和飞行安全。基于航空机载平台的量子传感器，可应用于对地（空）的高灵敏度和高分辨率目标探测。然而，量子测量技术在航空零部件测量与精度检测领域的应用还处于研究和探索阶段，需要进一步地实验验证和工程应用探索。尽管量子测量技术在航空传感器测量应用具有很大的潜力，但目前仍处于研究和开发阶段。随着量子测量技术的进一步发展，航空量子传感技术有望为航空领域带来更高精度和更可靠的测量能力。

量子测量技术的研究与应用涵盖了众多领域，且各自的技术背景和特点差异显著。在航空装备领域，如何有效开展多种量子传感器的集成与测试，以及设计和制造微型化、智能化的量子传感器，是当前亟待解决的重要应用难题。推动量子测量技术的实际应用需要加强与航空工业的合作，形成从研发到应用的闭环。通过与行业内企业的紧密联系，可以将理论成果转化为实际产品，实现量子传感器在航空装备中的广泛应用，不仅有助于提升航空装备的性能，推动航空制造业的技术进步和创新，还将推动量子测量技术在其他领域的应用，为科技进步带来全新机遇。

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