量子導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

毛悅，孫中苗，賈小林，宋小勇，蔣慶仙

(1.地理信息工程國家重點實驗室,西安 710054；2.西安測繪研究所,西安 710054)

0 引言

“量子”是表示某物質(zhì)或物理量特性的最小單元，是能量的最小單位.原子、光子都是量子的一種.量子具有不確定性、不可克隆性、不可區(qū)分性，量子態(tài)疊加性和量子態(tài)糾纏性.隨著量子特性被科學(xué)家不斷挖掘，適用于實際應(yīng)用的量子新枝術(shù)也被逐漸開拓出來.在量子信息科學(xué)中，目前主要的應(yīng)用研究方向包括量子計算、量子通信、量子導(dǎo)航三大方向.本文以構(gòu)建量子導(dǎo)航技術(shù)體系為目標(biāo)，梳理量子應(yīng)用技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并給出相關(guān)的發(fā)展建議.

量子導(dǎo)航是指基于量子特性的導(dǎo)航定位技術(shù)，即利用量子效應(yīng)傳感器，通過對電場或磁場的強度、頻率、時間、相位等實際物理量進(jìn)行估計，得到高于經(jīng)典測量精度的位置時間信息.量子導(dǎo)航應(yīng)用潛力巨大，按照測量介質(zhì)不同，可分為光子或原子測量.與光子測量相比，原子具有極短波長，超低運動速度，大運動質(zhì)量等特點，可測量更為微小的距離差，慣性拖曳效應(yīng)更加明顯，測量的物理特性更加寬廣[1-2].按照技術(shù)手段不同，量子導(dǎo)航可分為基于測距體制的星基量子導(dǎo)航系統(tǒng)、基于角運動/線運動測量的量子慣性導(dǎo)航、基于量子重力測量的匹配導(dǎo)航等技術(shù).量子測距定位技術(shù)理論上可突破傳統(tǒng)測量精度極限，實現(xiàn)優(yōu)于1 cm 的定位精度[3]；量子干涉陀螺儀理論精度比同等干涉面積下的光學(xué)陀螺儀高10 個數(shù)量級[4]；量子重力儀具備固有長程穩(wěn)定性強、高靈敏度和可重復(fù)性等優(yōu)勢.

量子導(dǎo)航尚屬前沿技術(shù)，目前星基量子導(dǎo)航技術(shù)處于概念研究階段，成熟度最低；量子慣性導(dǎo)航技術(shù)處于實驗室研制階段，是最有望實現(xiàn)實際應(yīng)用并發(fā)揮重大價值的導(dǎo)航技術(shù)；用于重力匹配導(dǎo)航的量子重力儀是目前成熟度最高的設(shè)備，已有可交付產(chǎn)品.目前，國內(nèi)外對于量子導(dǎo)航傳感技術(shù)的研究主要集中于量子陀螺儀和量子重力儀研究方面.

量子導(dǎo)航技術(shù)以其精度、安全性等方面的優(yōu)勢成為導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展新熱點.我國量子導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展處于追趕超越階段，如何在全面了解量子導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確把握量子導(dǎo)航發(fā)展趨勢，提出適合我國國情的發(fā)展建議是本文重點關(guān)注的問題.

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 星基量子導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀

星基量子導(dǎo)航技術(shù)是量子力學(xué)與衛(wèi)星導(dǎo)航理論相結(jié)合的產(chǎn)物.2001年，美國麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)的Vittorio Giovannetti 博士最早提出了“量子導(dǎo)航定位系統(tǒng)”(quantum positioning system,QPS)的概念，并發(fā)表在《Nature》雜志中[5].在此基礎(chǔ)上，2004 年美國陸軍研究實驗室(Army Research Laboratory,ARL)的Thomas B.Bahder 博士詳細(xì)論述了基線干涉式星基量子導(dǎo)航系統(tǒng)的總體方案(簡稱干涉式QPS)[6].如圖1所示，其實現(xiàn)方式與GNSS 衛(wèi)星導(dǎo)航類似，由位置精確已知的六顆導(dǎo)航衛(wèi)星(或低軌衛(wèi)星)發(fā)射信號，構(gòu)成三條測量基線對，三條導(dǎo)航衛(wèi)星基線對盡可能垂直布設(shè)，以形成最優(yōu)測量幾何條件，用戶位置分別位于三個雙曲面上，根據(jù)前方交會原理，用戶的位置即為三個雙曲面的交點.

圖1 星基量子導(dǎo)航示意圖

在傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航中，導(dǎo)航信號為經(jīng)過調(diào)制的無線電波，而在QPS中，測量載體為具有糾纏特性的光子對.在定位過程中，用戶需要攜帶用來反射糾纏光子對的角反射器.在由2 顆衛(wèi)星與用戶構(gòu)成的三角形閉合光路中，光源產(chǎn)生的雙光子糾纏對分別向2 顆衛(wèi)星發(fā)射，經(jīng)過衛(wèi)星折射發(fā)送到用戶，2 顆衛(wèi)星接收到用戶反射的糾纏光子并發(fā)送到HOM (Hong-Ou-Mandel,HOM)干涉儀，利用HOM 干涉儀測量雙光子糾纏源的二階關(guān)聯(lián)特性，得到兩個光子經(jīng)過不同路徑的光程差，實現(xiàn)用戶到2 顆衛(wèi)星距離差測量.糾纏光子對采用微觀特性，測量精度高，且因為沒有采用周期信號，不存在衛(wèi)星導(dǎo)航載波測量中的模糊度問題，解算更為便捷.2008年，Thomas B.Bahder 博士申請了專利 US7359064B1“Quantum positioning systems and methods”[7].2012年，Lopez-Mago 等利用邁克爾遜干涉儀對共線轉(zhuǎn)換光子對的干擾進(jìn)行完整實驗分析，表明經(jīng)過偏振分束器與帶通濾波，相干長度可達(dá)3.3 μm.國內(nèi)對量子星基定位系統(tǒng)定位原理、定位性能方面也開展了仿真分析[8-9].但迄今為止，QPS 的相關(guān)研究仍然停滯于理論研究階段，目前沒有關(guān)于地面半物理仿真實驗的報道，更沒有搭建任何系統(tǒng)性實驗進(jìn)行原理性驗證.與現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，QPS 主要技術(shù)優(yōu)勢和特點如下[10]：

1)新型信號體制，提升了測距及定位精度

星基量子導(dǎo)航系統(tǒng)與傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于采用的信號體制不同.傳統(tǒng)定位系統(tǒng)基于無線電測距理論，采用重復(fù)發(fā)送的電磁波，通過測量信號到達(dá)時間，進(jìn)而獲得距離測量信息進(jìn)行定位解算.根據(jù)海森堡測不準(zhǔn)原理，對于發(fā)射功率和信號帶寬受限的經(jīng)典無線電導(dǎo)航體制，其在定位精度上有著不可逾越的上限[8].星基量子導(dǎo)航系統(tǒng)以量子測距理論替代原有的無線電測距理論，利用光子的微觀量子特性，以糾纏和量子壓縮為基礎(chǔ)，突破經(jīng)典無線電導(dǎo)航體制的定位精度上限，提供亞皮秒級的時間差估計，使得QPS 可以提供小于1 cm 的定位精度.

2)光子符合計數(shù)，降低了用戶鐘長穩(wěn)需求

傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要星載時鐘的長期穩(wěn)定性來保證定位精度，QPS 依靠光子符合計數(shù)器來測量時差，星載時鐘僅需高精度短期穩(wěn)定性[8].由于測距問題本質(zhì)上是時間測量問題，光子到達(dá)時間準(zhǔn)確度越高，時鐘同步的時間分辨率越小，時鐘同步精度越高.因此量子精密測距方法也為解決高精度時間同步問題提供了思路，規(guī)避了對高精度原子鐘過高的技術(shù)需求.

3)量子信息傳輸，提供更高的保密安全性

量子具有不可克隆、不可分割，不可復(fù)制的特性.根據(jù)量子力學(xué)原理，微觀粒子都是處于多個狀態(tài)的疊加態(tài)，一旦對微觀粒子進(jìn)行測量，那么將破壞這種疊加態(tài)，微觀粒子的狀態(tài)也會隨之發(fā)生改變.由于QPS 的信息載體是糾纏雙光子，一旦衛(wèi)星與用戶接收機的通信信道受到第三方竊聽，必然會干擾正常的信息傳輸，而這種異常狀況很容易就能被通信雙方所發(fā)現(xiàn)，因此，星基量子導(dǎo)航系統(tǒng)信息傳輸具有很高安全性[11].

分析QPS 發(fā)展停滯的原因，主要在于以下幾個方面：

1)技術(shù)體制方面，QPS 的核心技術(shù)還未達(dá)到實用化階段，限制了相關(guān)試驗研究的開展.如量子信號的制備、量子操控技術(shù)、量子退相干控制技術(shù)、單光子探測器技術(shù)等，目前的研究水平還不能滿足使用需求.

2)由于糾纏光子對經(jīng)過空間傳播時存在退相干問題，導(dǎo)致了干涉式量子精密測距的作用距離存在一定限制，目前尚未實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏測量技術(shù)突破.

3)工程實現(xiàn)方面，一個目標(biāo)位置的確定，需要三條以上的量子基線對的支持，也就是需要6 顆導(dǎo)航衛(wèi)星.導(dǎo)航衛(wèi)星的位置要求精確已知，且為了實現(xiàn)干涉測量需要在衛(wèi)星間實現(xiàn)通訊傳輸，由此造成了QPS在工程實現(xiàn)上的難度和代價較大.

1.2 量子慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

量子慣性導(dǎo)航技術(shù)是以量子力學(xué)和Sagnac 效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，使用符合薛定諤方程的原子或者其他粒子作為信息敏感體，敏感載體角運動與線運動參量，再進(jìn)行導(dǎo)航解算，計算出載體的位置、航向、姿態(tài)等信息.原子陀螺/加速度計是量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心傳感器.如圖2 所示，按照技術(shù)體制劃分原子陀螺可以分為原子自旋陀螺(atomic spin gyroscope,ASG)和原子干涉陀螺(atomic interference gyroscope,AIG)兩類.目前國內(nèi)外優(yōu)勢發(fā)展方向主要集中于核磁共振(nuclear magnetic resonance gyrascope，NMRG)陀螺、無自旋交換弛豫(spin-exchange relaxation-free，SERF)陀螺和冷原子干涉陀螺領(lǐng)域.

圖2 原子陀螺技術(shù)類別

NMRG 陀螺的主要優(yōu)勢在于其具有小體積和導(dǎo)航級的精度水平，理論零偏穩(wěn)定性為10-4(°)/h，預(yù)期體積為厘米級，未來主要應(yīng)用于水下無人潛航器、微小型智能平臺、無人機群等小型化、輕質(zhì)化應(yīng)用領(lǐng)域[12].中國航天科工集團(tuán)三院33 所、航天九院13 所、北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、中國航空工業(yè)集團(tuán)618所等單位研制的NMRG 陀螺零偏穩(wěn)定性為0.1 (°)/h量級，與美國Northrop Gruman 公司同類產(chǎn)品相比，在性能上相差一個數(shù)量級.小型化NMRG 陀螺工程應(yīng)用要達(dá)到體積與微機電系統(tǒng)(micro electro mechanical system,MEMS)類似，精度與光纖、激光陀螺類似的預(yù)期，還需要在縮減體積上下功夫[13].

SERF 陀螺具有靜電陀螺儀的精度和光學(xué)陀螺儀的成本和體積，理論零偏穩(wěn)定性為10-8(°)/h，體積為分米級，未來主要應(yīng)用于艦船導(dǎo)航等[14].但目前SERF 陀螺存在受磁干擾影響較大，動態(tài)測量范圍相對較小等技術(shù)問題.北京航空航天大學(xué)、航天九院13 所等單位研制的SERF 陀螺精度優(yōu)于國外公開報道最好水平，目前零偏穩(wěn)定性為10-3(°)/h.SERF 陀螺要達(dá)到戰(zhàn)略級工程化應(yīng)用還需重點解決抗干擾能力差，現(xiàn)階段精度與光纖、激光陀螺相比優(yōu)勢尚不明顯等問題.提升SERF 陀螺性能主要受限于低噪聲磁材料，窄線寬激光器、高純度原子源等技術(shù)的發(fā)展等[15].

AIG 理論極限零偏穩(wěn)定性為10-10(°)/h，未來實現(xiàn)工程化后預(yù)計可以達(dá)到10-6～10-8(°)/h.與零偏穩(wěn)定性在10-3～10-4(°)/h 量級的激光、光纖陀螺相比，AIG 在測量精度發(fā)展前景上具有顯著的優(yōu)勢.未來主要應(yīng)用于水面、水下艦艇、潛艇、深空飛行器等領(lǐng)域.但目前AIG 技術(shù)成熟度不高，存在體積大，動態(tài)測量范圍不足等問題亟待解決.中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、清華大學(xué)、中船重工717 所、航天九院13 所等單位研制的AIG 儀目前靜態(tài)零偏穩(wěn)定性為10-4(°)/h，體積為0.02 m2，重量70 kg，與法國巴黎天文臺相比，其性能相差一個數(shù)量級.AIG 面向船用工程化還需重點突破數(shù)據(jù)采樣率低，帶寬量程小，實驗室樣機距離理論精度有差距等問題.

1.3 量子重力儀技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

量子重力儀是利用冷原子干涉技術(shù)精確測量重力加速度、重力梯度等重力場參數(shù)的設(shè)備，是原子干涉技術(shù)最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域.相比基于彈簧加速度計的相對重力儀，原子重力儀具備如下優(yōu)點[16]：1)原子測量為微觀測量，相比宏觀質(zhì)量量測方式，可避免儀器精度的提高受機械、制造等因素影響和限制，無機械磨損；2)既可測量相對重力值，也可測量絕對重力值，測量可重復(fù)性好，靈敏度高；3)零偏小，長期穩(wěn)定性好；4)測量精度高.冷原子運動速度低，可以為精密測量提供充足的測量時間，另外物質(zhì)波干涉測量方式可有效提升測量分辨率[17].目前原子重力儀除了固有長程穩(wěn)定性好的優(yōu)勢外，其測量精度已經(jīng)超過目前實際使用的基于加速度計的移動平臺重力儀.這是原子干涉技術(shù)應(yīng)用潛力的實際體現(xiàn).除了重力儀，從原理上分析，重力梯度儀具有更強的抗載體運動干擾能力，能降低重力儀對隔振平臺的要求，同樣具有良好的研究和應(yīng)用前景.

目前原子重力儀的研究可以分為兩大方向：大型超高精度冷原子重力儀和小型化可移動冷原子重力儀.小型化重力測量設(shè)備多采用自由下落式測量方式.大型超高精度原子重力儀包括地面10 m 原子噴泉和空間原子加速度計.噴泉式重力儀雖然需要原子上拋過程，使重力儀設(shè)計更加復(fù)雜，但干涉時間是自由下落式的兩倍，測量靈敏度更高，干涉區(qū)磁屏蔽也更容易實現(xiàn)[16,18-19].

目前我國量子重力儀已實現(xiàn)應(yīng)用，目前有代表性的產(chǎn)品有三款：1)華中科技大學(xué)研制的微伽級量子重力儀，是我國首臺開展行業(yè)應(yīng)用的量子重力儀產(chǎn)品；2)華中科技大學(xué)研制的小型化毫伽級量子重力儀，可適用于野外測量；3)中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院研制的冷原子重力儀工程樣機，靜態(tài)測量精度達(dá)到5 uGal，與國際最高精度水平相當(dāng).此外，計量院、浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)、中船重工集團(tuán)707、中船重工集團(tuán)717 所、航天科技集團(tuán)九院13 所、清華大學(xué)等單位也有相關(guān)工程樣機.目前我國量子重力儀總體技術(shù)處于國際第一陣列，但重力梯度儀精度距離國際先進(jìn)水平尚有差距，主要表現(xiàn)在：1)工程應(yīng)用能力不足，美國已將原子干涉重力梯度儀應(yīng)用于核潛艇的高精度導(dǎo)航中，將成為高精度組合導(dǎo)航的重要組成.國內(nèi)研究成果還局限于民用領(lǐng)域，在軍用高精度產(chǎn)品研制、平臺及環(huán)境適應(yīng)性改造等方面還有差距.2)一體化集成能力不高，目前我國產(chǎn)品在精度及體積的兼顧方面還有差距.高精度產(chǎn)品多采用分立式設(shè)計結(jié)構(gòu)，小型化不足.3)創(chuàng)新性不足，我國在量子重力儀研制方面取得了一定突破，但技術(shù)路線創(chuàng)新性有待提高，部分核心器件國產(chǎn)化水平存在差距[20].

2 發(fā)展建議

美國在2006 年國防部“發(fā)展中的科學(xué)技術(shù)清單”、2010 年美軍“技術(shù)地平線：美國空軍2010—2030 科技愿景”、2013 年美軍“全球地平線：美國空軍全球科技愿景”、2013 年國防科學(xué)委員會“保持2030 年前優(yōu)勢的技術(shù)與創(chuàng)新”等多項發(fā)展規(guī)劃和計劃中明確強調(diào)了冷原子陀螺發(fā)展的重要性，并在其列出的30 項具有潛在發(fā)展前景的領(lǐng)域中，將冷原子陀螺列入具有最高優(yōu)先權(quán)12 項技術(shù)之一.冷原子定位、導(dǎo)航與授時(positioning,navigation and timing,PNT)技術(shù)已成為可提升下一代導(dǎo)航定位核心能力，并能夠在2030 年前投入使用的新興技術(shù)，是后續(xù)PNT 發(fā)展中具有技術(shù)引領(lǐng)作用的核心重點研發(fā)領(lǐng)域[1].

綜合以上發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析，我國在量子導(dǎo)航技術(shù)體系方面已經(jīng)呈現(xiàn)出了多體制并行發(fā)展，以及與國外技術(shù)強國比肩趕超的發(fā)展態(tài)勢，但也存在工程化產(chǎn)品技術(shù)成熟度還不足，許多技術(shù)瓶頸有待突破等問題.通過現(xiàn)狀及問題分析，瞄準(zhǔn)后續(xù)發(fā)展，提出建議如下：

1)我國在部分精密激光器件、微型化精密加工設(shè)備方面，關(guān)鍵設(shè)備依賴進(jìn)口，核心技術(shù)受制于人.而精密機電設(shè)備制造技術(shù)發(fā)展需要長期技術(shù)積累，依靠自身產(chǎn)能和市場機制難以良性發(fā)展，建議從國家政策層面持續(xù)支持.

2)目前量子測量設(shè)備研發(fā)還主要集中在陀螺儀研制方面，具有完整導(dǎo)航定位功能的工程化產(chǎn)品相對較少.后續(xù)需要加強國內(nèi)優(yōu)勢慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研制單位之間技術(shù)合作，加速系統(tǒng)集成化和工程化.

3)拓展量子慣性導(dǎo)航器件在艦艇、機載、車載等多平臺的測試實驗，結(jié)合多場景應(yīng)用掌握能力需求，摸清設(shè)備能力底線，結(jié)合需求推動應(yīng)用技術(shù)發(fā)展.

3 總結(jié)

量子導(dǎo)航技術(shù)具有精度高、不易受干擾、安全性好等優(yōu)勢，是最有希望彌補衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)缺陷的高新技術(shù)，也是未來導(dǎo)航定位技術(shù)制高點.本文在全面梳理星基量子導(dǎo)航技術(shù)、量子慣性導(dǎo)航技術(shù)以及量子重力儀等主要量子導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題基礎(chǔ)上，提出了量子導(dǎo)航后續(xù)發(fā)展建議，以期為我國量子導(dǎo)航技術(shù)產(chǎn)學(xué)研全面發(fā)展提供參考.

致謝：感謝航天科技集團(tuán)九院十三所、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國計量科學(xué)研究院、中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國船舶重工集團(tuán)公司第七一七研究所、中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇七研究所等研究團(tuán)隊對本文的支持與幫助.