簡(jiǎn)析量子定位技術(shù)及應(yīng)用前景

許方星

摘 要：傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)技術(shù)，其定位精度由于受限于電磁波脈沖的能量與帶寬存在著一定的極限。隨著量子力學(xué)的發(fā)展，利用具有量子糾纏特性的激光脈沖來(lái)取代電磁脈沖信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)趨近于物理極限的高定位精度，這就是量子定位技術(shù)。概述了量子定位的基本原理和特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，淺析了其關(guān)鍵技術(shù)及未來(lái)廣闊應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：量子定位 量子糾纏 Hong-Ou-Mandel干涉

中圖分類號(hào)：TN918 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（a）-0007-02

Abstract：For the traditional satellite navigation and global positioning system， the positioning accuracy is limited by the energy and bandwidth of electromagnetic pulses. With the development of quantum mechanics， laser pulses are used to replace the electromagnetic pulse signal and realize a high positioning precision approximating the physical limits because of their quantum entanglement properties， which is named as“quantum positioning system”. To describe the basic principle and characteristics of the quantum positioning advantages， while its key technologies and the broad application prospect in the future are analyzed as well.

Key Words：Quantum Positioning；quantum entanglement；Hong-Ou-Mandel interference

衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)以天基人造衛(wèi)星為基本平臺(tái)，能夠?yàn)槿蚝?、陸、空、天各類軍民用載體提供全天候、二十四小時(shí)連續(xù)不間斷的高精度三維位置、速度和時(shí)間信息。目前技術(shù)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS），歐洲導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)，我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于交通導(dǎo)航、衛(wèi)星授時(shí)應(yīng)用、應(yīng)急指揮、民用水情測(cè)報(bào)服務(wù)等，發(fā)揮了非常重要的作用。

雖然GPS在導(dǎo)航定位領(lǐng)域獲得了前所未有的成功，但仍然存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

（1）定位精度仍然不夠高，系統(tǒng)體制仍存在著物理極限。因?yàn)镚PS定位的原理是通過(guò)重復(fù)地向空間發(fā)射電磁波信號(hào)，檢測(cè)電磁波到達(dá)待測(cè)點(diǎn)的時(shí)間延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種以經(jīng)典物理學(xué)為基礎(chǔ)的方法受到所能實(shí)現(xiàn)的可利用功率及帶寬的限制，其測(cè)量精度很難獲得進(jìn)一步的提高。此外，電磁波信號(hào)受到電離層和對(duì)流層的干擾，特別在城市、山區(qū)等復(fù)雜自然環(huán)境下，由于高層建筑、樹木等對(duì)信號(hào)的影響，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的非直線傳播，從而使得不同環(huán)境下的導(dǎo)航效果具有比較大的差異。

（2）保密性較差，美國(guó)斯坦福大學(xué)設(shè)立有一個(gè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，主要截獲并分析全球所有的衛(wèi)星信號(hào)，華裔學(xué)者Grace Xingxin Gao在2008年的博士論文《Towards navigation based on 120 satellites： analyzing the new signals》，較為詳細(xì)地闡述了衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤與破譯方法，雖然不能確信是否能夠破譯所有的偽隨機(jī)碼，但至少是可以部分破譯的。

（3）抗干擾能力差，與其他傳感器系統(tǒng)相比，GPS信號(hào)強(qiáng)度很弱，因此更加容易受到電磁干擾，使基于GPS的導(dǎo)航系統(tǒng)存在穩(wěn)定性漏洞。

由于存在著這些缺陷，美國(guó)投入巨資完善并發(fā)展GPS系統(tǒng)?；诹孔蛹夹g(shù)的量子定位系統(tǒng)（Quantum Positioning System， QPS）作為一種定位精度高、保密性能強(qiáng)的導(dǎo)航定位技術(shù)，就是其發(fā)展重點(diǎn)之一。量子定位的概念最先是由美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員于2001年提出，其與傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于所采用信號(hào)的不同。傳統(tǒng)定位如GPS系統(tǒng)采用的是基于重復(fù)發(fā)送電磁波脈沖測(cè)量信號(hào)達(dá)到時(shí)間，通過(guò)計(jì)算得到距離信息，而量子定位系統(tǒng)采用的是具有量子特性的光子脈沖。利用光子的微觀量子特性，如量子糾纏和量子壓縮態(tài)，量子定位系統(tǒng)就能夠超越經(jīng)典測(cè)量中能量、帶寬和精度的限制，精度可接近海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理所限定的物理極限。

1 量子定位技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 量子定位系統(tǒng)的原理

量子定位技術(shù)利用具有量子特性的激光脈沖，取代傳統(tǒng)GPS的微波信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位。區(qū)別于微波信號(hào)的長(zhǎng)波長(zhǎng)波束覆蓋寬，激光的波長(zhǎng)很短指向性很高，衛(wèi)星與用戶間的傳統(tǒng)同步方法不再適用。因此量子定位系統(tǒng)的定位不應(yīng)是取代現(xiàn)有GPS，而是與GPS相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)安全高精度的定位目的。通過(guò)對(duì)量子定位技術(shù)原理的研究與優(yōu)選，提出具有實(shí)用性的量子定位系統(tǒng)體系架構(gòu)以及面向用戶的應(yīng)用模式，才能將量子定位系統(tǒng)推廣應(yīng)用。

量子定位系統(tǒng)由量子糾纏態(tài)光源、HOM干涉測(cè)量部分以及系統(tǒng)控制部分組成，其基本原理與關(guān)鍵特性如下。

（1）高性能量子糾纏態(tài)光源。在光與非線性晶體相互作用的過(guò)程中，能夠產(chǎn)生一種非線性光學(xué)效應(yīng)，這種效應(yīng)一對(duì)低頻率光子具有很強(qiáng)的量子糾纏、關(guān)聯(lián)和非定域特性，可實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上的高精度測(cè)量。作為光源，光子糾纏態(tài)的糾纏純度、退相干時(shí)間對(duì)系統(tǒng)性能將產(chǎn)生巨大的影響。

（2）高穩(wěn)定HOM干涉測(cè)量與處理。在量子力學(xué)的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉中，由于雙光子的糾纏特性，干涉是不可區(qū)分的雙光子整體態(tài)。當(dāng)兩個(gè)光子在時(shí)域上同時(shí)到達(dá)分束片上時(shí)，雙光子態(tài)不可區(qū)分，此時(shí)干涉出現(xiàn)，兩個(gè)探測(cè)器的計(jì)數(shù)出現(xiàn)強(qiáng)的反關(guān)聯(lián)。反之，當(dāng)我們改變一條鏈路中的延時(shí)，致使復(fù)合計(jì)數(shù)出現(xiàn)強(qiáng)的反關(guān)聯(lián)時(shí)，即可知道此時(shí)兩個(gè)光子在時(shí)域上不可區(qū)分。這正是利用HOM干涉實(shí)現(xiàn)量子定位系統(tǒng)的基本原理。

（3）高精度ATP與時(shí)間同步技術(shù)：在單組基線的系統(tǒng)中，需通過(guò)改變可控反射模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)基線與待測(cè)點(diǎn)r0之間建立穩(wěn)定的光鏈路。二者的精確指向?qū)⒂绊懙阶罱K定位的精度，因此對(duì)反射模塊的反射角度需要進(jìn)行反饋控制。在利用參考光實(shí)現(xiàn)對(duì)于待測(cè)點(diǎn)ATP（獲取、跟蹤、瞄準(zhǔn)）之后，定位過(guò)程將通過(guò)精密調(diào)整延時(shí)并觀測(cè)探測(cè)器的復(fù)合計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 量子定位系統(tǒng)與量子保密通信的結(jié)合技術(shù)

原理上，量子定位系統(tǒng)與量子保密通信都是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與后處理。因此，在同一套系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)兩種功能具有可行性。研究在量子定位過(guò)程中引入量子保密通信的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交互信息的保密處理，提高量子定位系統(tǒng)的安全性。兩者相結(jié)合，能夠充分發(fā)揮量子定位系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的方法，能有效提升量子定位的使用程度，是未來(lái)量子定位系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用方向。

1.3 大氣、重力場(chǎng)環(huán)境的干擾校正技術(shù)

與GPS類似，為了實(shí)現(xiàn)寬覆蓋、全天候工作，星載平臺(tái)將是未來(lái)量子定位系統(tǒng)走向?qū)嵱没淖罴哑脚_(tái)。對(duì)于LEO低軌衛(wèi)星等自由空間傳輸?shù)男堑劓溌范裕髿獾膿p耗、湍流、散射，重力場(chǎng)對(duì)于授時(shí)的影響都是系統(tǒng)中必須考慮的因素，必須通過(guò)對(duì)環(huán)境的建模與仿真，分析對(duì)信息傳輸鏈路的影響，以實(shí)現(xiàn)量子定位系統(tǒng)的校正。

2 量子定位技術(shù)的發(fā)展前景

量子定位技術(shù)作為一種不同于傳統(tǒng)GPS的新型精確定位技術(shù)，是量子光學(xué)和通信導(dǎo)航技術(shù)相融合的典范。這項(xiàng)技術(shù)的深入研究，能為下一代高精度導(dǎo)航系統(tǒng)提供量子水平的定位精度。特別是在以下兩個(gè)方面。

（1）量子定位系統(tǒng)技術(shù)理論和工程實(shí)現(xiàn)將促進(jìn)電子信息系統(tǒng)進(jìn)入量子時(shí)代。

隨著信息化社會(huì)的發(fā)展，未來(lái)將逐步進(jìn)入量子的時(shí)代。在量子領(lǐng)域的實(shí)用化進(jìn)程中，高性能、大規(guī)模的量子設(shè)備（如星地量子保密通信、量子計(jì)算處理芯片、高性能糾纏源）已逐步面世。這也為量子定位技術(shù)逐步實(shí)用化提供了良好的基礎(chǔ)。

（2）量子定位系統(tǒng)與量子密碼技術(shù)的結(jié)合是未來(lái)實(shí)用化的最佳途徑。

目前量子密碼是目前最具有實(shí)用性的量子技術(shù)。將量子定位系統(tǒng)與量子密碼技術(shù)相結(jié)合，擴(kuò)展研發(fā)系統(tǒng)的功能，改善系統(tǒng)的安全性與抗干擾性。這對(duì)于軍用安全電子以及電子對(duì)抗裝備意味著創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)作為一種全新的交叉領(lǐng)域的產(chǎn)物，針對(duì)量子定位系統(tǒng)技術(shù)的深入研究和實(shí)際系統(tǒng)研制，將大力促進(jìn)我國(guó)在量子領(lǐng)域、激光通信等相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

最近二十年，GPS全球定位系統(tǒng)在軍民應(yīng)用領(lǐng)域都發(fā)揮了巨大的作用。無(wú)論從政治上還是軍事上來(lái)講，都不能沒有獨(dú)立的高水平的定位導(dǎo)航系統(tǒng)?；诹孔有?yīng)的量子定位系統(tǒng)技術(shù)利用光子的微觀量子特性，能夠超越經(jīng)典測(cè)量的瓶頸以達(dá)到更高的精度，是一項(xiàng)潛力巨大的新興技術(shù)，并終將在高性能電子信息設(shè)備上大放異彩。