日常生活中，不管是駕駛車輛、外賣點(diǎn)單還是運(yùn)動(dòng)鍛煉，經(jīng)常會(huì)用到衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。那么，沒有衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)或信號(hào)很弱時(shí)，人們?cè)撊绾螌?dǎo)航？科學(xué)家提出了一種新思路——將量子傳感器應(yīng)用于導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)拒止條件下的定位、導(dǎo)航、授時(shí)功能。衛(wèi)星信號(hào)拒止條件是指導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)受到干擾、遮擋甚至惡意攻擊等無法正確輸出導(dǎo)航參數(shù)信息的情形。

4月初，澳大利亞Q-CTRL公司的一項(xiàng)研究宣布，他們研制出首個(gè)在商業(yè)上可行的量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其精度可達(dá)傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的46倍。目前，量子導(dǎo)航領(lǐng)域已成為國(guó)際科研前沿?zé)狳c(diǎn)之一，中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯和歐盟等都提出了各自的發(fā)展計(jì)劃和時(shí)間表。

量子導(dǎo)航系統(tǒng)使用的量子傳感器，是一種利用量子力學(xué)原理來探測(cè)微觀世界的新型工具。它們利用量子相干效應(yīng)或量子糾纏等特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的精確測(cè)量，比如電磁場(chǎng)、時(shí)間、重力加速度、溫度、壓力、角速度等。憑借超高精度、超高靈敏度、超快響應(yīng)速度等特點(diǎn)，量子傳感器有望帶來顛覆性改變，突破傳統(tǒng)傳感器瓶頸。

在衛(wèi)星信號(hào)拒止條件下，目前量子傳感器主要提供3種不同的導(dǎo)航替代方案：

第一種是量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本類似，主要由原子陀螺儀、原子加速度計(jì)、原子鐘和信號(hào)采集處理單元等4個(gè)部分構(gòu)成。通過對(duì)原子的量子調(diào)控，原子陀螺儀可實(shí)現(xiàn)超高靈敏度的慣性測(cè)量，包括對(duì)運(yùn)動(dòng)物體加速度、角速度的精準(zhǔn)測(cè)量，實(shí)時(shí)計(jì)算其位置和姿態(tài)。比如，在傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)下，潛艇定位偏差每天可達(dá)數(shù)公里，而量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差有望實(shí)現(xiàn)每月小于1公里。這一系統(tǒng)在未來深空探測(cè)中也大有可為。

第二種和第三種方案分別是量子磁力導(dǎo)航和量子重力導(dǎo)航。由于地球各區(qū)域的磁場(chǎng)和重力加速度都不一樣，理論上我們可以繪制出地球磁場(chǎng)地圖和重力加速度地圖，在衛(wèi)星信號(hào)拒止條件下，通過量子傳感器測(cè)量磁場(chǎng)或者重力加速度的變化，將收集的數(shù)據(jù)與已知的地圖比對(duì)，就能快速確定自身位置。目前，英國(guó)已經(jīng)利用無人機(jī)搭載量子磁強(qiáng)計(jì)，并輔助其他技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)10厘米精度的衛(wèi)星信號(hào)拒止環(huán)境定位。

這兩種方案還可應(yīng)用于地下勘探、海底潛航。深地、深海等環(huán)境是衛(wèi)星導(dǎo)航常見的盲區(qū)，量子導(dǎo)航可以用于探測(cè)地下百米級(jí)的地質(zhì)構(gòu)造、地下無人駕駛地鐵的厘米級(jí)定位等。

整體來看，量子導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯。它具備比傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航更高的精度，并且不依賴外部信號(hào)，在衛(wèi)星信號(hào)受限或受干擾的環(huán)境中仍能正常工作。同時(shí)，量子傳感器的信號(hào)不向外發(fā)射，不易被外部探測(cè)和截獲，也具有較好的隱蔽性。

不過，當(dāng)前發(fā)展量子導(dǎo)航系統(tǒng)還面臨很多困難：一是系統(tǒng)設(shè)備較為復(fù)雜，成本高；二是量子傳感器對(duì)外界環(huán)境因素極為敏感，需要研發(fā)先進(jìn)的屏蔽技術(shù)和抗干擾算法，以提高復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性和穩(wěn)定性；三是產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，需要進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)處理，并消除累計(jì)偏差。如果能夠突破這些挑戰(zhàn)，未來融合傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航和量子導(dǎo)航的全球?qū)Ш较到y(tǒng)，不僅將為我們的日常生活帶來更多便利，還將助力人類探索更廣闊的星辰大海。

（作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播系副研究員）