量子定位能否替代衛(wèi)星導(dǎo)航

文／陳思進(jìn)

目前，全世界大量的設(shè)備都依賴衛(wèi)星定位系統(tǒng)來(lái)定位和導(dǎo)航，但是，衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信號(hào)有時(shí)會(huì)被阻塞或是被劫持，而無(wú)需衛(wèi)星定位的量子定位技術(shù)，將可以實(shí)現(xiàn)新型定位導(dǎo)航。那么，什么是量子定位呢？

量子定位系統(tǒng)（QPS）的概念最早始于2001年，由美國(guó)麻省理工學(xué)院電子學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究的喬瓦內(nèi)蒂·維托里奧博士、洛倫佐博士，以及與從事量子計(jì)算和量子通信研究的機(jī)械工程學(xué)教授勞?！さ沦愃挂黄穑谒麄児餐l(fā)表的《量子增強(qiáng)定位和時(shí)鐘同步》的文章中提出的。

自脈沖式量子定位提出以來(lái)，作為導(dǎo)航系統(tǒng)中重要的定位、授時(shí)功能的體現(xiàn)，基于量子糾纏及量子壓縮特性的光子脈沖測(cè)距和測(cè)時(shí)等相關(guān)研究，不斷地被媒體報(bào)道。

2002年，維托里奧博士在提出QPS概念的同時(shí)，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了基于量子時(shí)鐘同步消色散方案，證明在光量子可能傳播的一般條件下，時(shí)鐘的同步性不受分散介質(zhì)存在的干擾，提高了量子定位的精度。

衛(wèi)星導(dǎo)航通過(guò)向在軌衛(wèi)星發(fā)射電磁波脈沖，并檢測(cè)信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)定位的方式，導(dǎo)致了偽距誤差。與衛(wèi)星導(dǎo)航采用的電磁波信號(hào)不同，QPS的測(cè)距信號(hào)是具有量子特性的脈沖信號(hào)，這種信號(hào)是由沒(méi)有電荷和質(zhì)量的光子所組成。通過(guò)量子理論與量子力學(xué)，光量子具有奇特的量子糾纏和量子壓縮的特性。

當(dāng)前，主要的兩種量子導(dǎo)航定位系統(tǒng)有星基量子導(dǎo)航系統(tǒng)和量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。一類(lèi)由于和傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航類(lèi)似，需要發(fā)射信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶的四維坐標(biāo)的定位，不同之處在于QPS采用的是相干關(guān)聯(lián)的量子信號(hào)，所以依然屬于有源定位系統(tǒng)；而另一種基于量子慣性器件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的量子定位系統(tǒng)，與傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)類(lèi)似，是靠著自身的慣性器件，來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整與定位，不需要從在軌衛(wèi)星實(shí)時(shí)接收信號(hào)進(jìn)行測(cè)距和授時(shí)，屬于無(wú)源定位系統(tǒng)。

其中，量子羅盤(pán)（原名為量子指南針）是一種新型導(dǎo)航技術(shù)。這種不會(huì)受到數(shù)據(jù)篡改和信號(hào)干擾影響的全球定位設(shè)備，通過(guò)把一些離子囚禁于過(guò)冷狀態(tài)，并減少外部電波造成的影響，使被囚禁離子僅僅對(duì)地球產(chǎn)生的電磁擾動(dòng)敏感，再通過(guò)測(cè)量地球產(chǎn)生的電磁擾動(dòng)對(duì)這些離子的影響，科學(xué)家便能以極高精度，跟蹤含有被俘離子芯片的運(yùn)動(dòng)狀況。

英國(guó)防務(wù)科技實(shí)驗(yàn)所已開(kāi)發(fā)出小到3英尺（約合91厘米）見(jiàn)方的量子定位系統(tǒng)。英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的鮑勃·科克肖特表示：“在物理學(xué)上還不存在能干擾這種（新）設(shè)備的方法。”這種定位技術(shù)也將不需要衛(wèi)星，也不再需要無(wú)線電發(fā)射塔這類(lèi)固定的參考點(diǎn)。

此外，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室打造了一個(gè)鈦金屬外殼、牛油果大小的真空設(shè)備，將來(lái)在電單車(chē)、飛機(jī)上配備這樣的設(shè)備，可以無(wú)需依賴GPS系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)定位和導(dǎo)航，即可安全定位自己的所在位置。過(guò)去一年來(lái)，該項(xiàng)目的研究組一直在觀察這套設(shè)備的運(yùn)行情況。

未來(lái)量子定位技術(shù)能否取代GPS？

目前，仍需要進(jìn)行以下準(zhǔn)備工作，比如：首先要構(gòu)建完整的體系框架。量子定位和導(dǎo)航技術(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，不具備完整的系統(tǒng)框架。理論上，完整的系統(tǒng)框架應(yīng)包括量子糾纏準(zhǔn)備方案、衛(wèi)星基線對(duì)的設(shè)置、角反射器、HOM干涉儀、構(gòu)象計(jì)數(shù)器、抗噪聲儀措施、多用戶協(xié)議等。

其次要維護(hù)量子信號(hào)的糾纏狀態(tài)。量子定位技術(shù)可能需要長(zhǎng)距離傳輸量子信號(hào)，而以目前的技術(shù)進(jìn)展，量子糾纏距離、連貫性和穩(wěn)定性都存在一定的局限性。

第三，量子定位技術(shù)要與經(jīng)典定位技術(shù)的融合。衛(wèi)星定位、慣性導(dǎo)航等技術(shù)經(jīng)歷較長(zhǎng)發(fā)展過(guò)程已較為成熟，而量子定位系統(tǒng)的發(fā)展需要一定的時(shí)間。

現(xiàn)階段，沒(méi)有任何技術(shù)能夠提供類(lèi)似于GPS等衛(wèi)星定位系統(tǒng)的精度和全天候、全地域工作能力，并在使用成本上與GPS相提并論。

總之，量子定位技術(shù)與經(jīng)典定位技術(shù)將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)并存，量子定位技術(shù)能否取代GPS還有待時(shí)日。