文｜张文卓 夸密量子创始人兼CEO，中国科学院量子光学重点实验室博士，中国科学技术大学墨子号卫星团队前成员；杜鹏程 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院青年教师，中国科学院物理研究所博士
来源｜瞭望智库
最近，量子导航领域的动态颇为引人注目。先是波音公司完成了全球首个多量子传感器飞行测试，实现了无需GPS的精准导航；不久后，美国量子公司SandboxAQ又宣布获得了美国空军（USAF）授予的SBIR Phase 2B战术性资金增加（TACFI），以进一步开发Sandbox的双用途AQNav磁导航（MagNav）系统。这种突破性的导航技术，可以为人们提供一种昼夜适用、适应各种环境的被动实时导航解决方案，并且完全不依赖全球导航卫星系统。
由此，量子导航对于国防和商业应用的重要性得到广泛认可。而量子技术在导航、测量等领域的技术应用也成为各国投入研究和开发的重镇......到底什么是量子导航？它和卫星导航、惯性导航是什么关系？又会被用在哪些关键领域？
让我们先从熟悉的卫星导航说起。
1 被广泛应用的卫星导航
卫星导航，即通过使用卫星定位系统来确定地球上任何位置的精确坐标，从而根据实时位置更新进行导航。卫星定位系统通常由三个部分组成：导航卫星、地面控制系统、用户接收设备。最早的卫星定位系统是美国的全球定位系统（GPS），它已经成为了日常用语中卫星定位的代名词。其他全球或区域性的卫星导航系统包括我国的北斗卫星导航系统（BDS），欧盟的伽利略系统（Galileo），俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）等。
卫星定位系统可以为用户提供位置信息、导航数据以及精确的时间信息。卫星定位技术被广泛应用于汽车导航、智能手机定位服务、航空航海、应急救援、环境监测等多个领域。
2022年2月7日，在中国科学院国家授时中心空间锶原子光钟实验室，测量仪器显示相关实验信号。新华社记者 张博文 摄
导航卫星的核心设备是原子钟。根据量子力学原理，能量的最小单位为频率f乘以普朗克常数h。而原子的外层电子根据量子力学存在稳定的能级，能级之间的能量差dE固定。电子在两个能级之间跃迁就是吸收和辐射光子，该光子频率为两能级能量差除以普朗克常数h。由于频率f是周期T的倒数，固定频率就代表固定的时间周期，就相当于钟表“嘀嗒”一次需要的时间固定。能级间能量差越准确，时间周期也就越准确，计时也就越准确。
空间距离s等于时间t乘以光速c，根据相对论的光速不变原理，c是一个恒定常数，不随时空参考系而变化，那么准确计时就意味着准确距离测量。卫星导航的接收器可接收来自多个卫星的微波信号，并通过卫星上的原子钟计算出不同卫星的微波信号传播到接收器所用时间，再乘以光速即可以确定接收器与不同卫星之间距离，只要接收卫星信号数量不低于3，即可通过几何关系计算出接收器所在位置的三维坐标（在地球上就是经度、纬度和高度）。
2024年9月19日9时14分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭与远征一号上面级，成功发射第59、60颗北斗导航卫星。新华社发（杨熙 摄）
由此，导航卫星的数量是保证其定位精度和可靠性的关键因素之一。据报道，2024年9月19日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭与远征一号上面级，成功发射了第59、60颗北斗导航卫星。这两颗北斗卫星作为北斗三号卫星系统的最后两颗备份卫星，将起到提高北斗系统运行稳定性的重要作用。同时，这两颗卫星除了完成常规的组网星的任务以外，还会做一些新技术实验和探索。
2 不依赖外部信号的惯性导航
惯性导航是一种不依赖外部信号的导航方法，通过三个轴向的加速度计（accelerometer）获取载体的加速度信息，同时通过三个轴向的陀螺仪（gyroscope）获取载体的角速度信息，再通过载体角速度信息的解算可获取载体的实时姿态，将载体的加速度与姿态信息结合可获取载体相对惯性空间的实时加速度大小和方向。根据牛顿力学，在已知加速度大小和方向的情况下，加速度对时间进行一次积分，可得到速度信息，对时间二次积分可得到位置信息。
由于惯性导航不依赖于卫星等外部信号源，具有较强的隐蔽性和抗干扰性，广泛应用于飞机、导弹、舰艇、核潜艇及坦克等军用领域，是现代国防系统的关键技术。
惯性导航系统的核心部件是加速度计和陀螺仪。加速度计是测量载体的加速度的传感器，常用的加速度计有石英挠性加速度计、MEMS（微机电系统）加速度计等。陀螺仪是测量载体角速度的传感器，常用的陀螺仪有机电式陀螺仪（以经典力学为基础）、光电类陀螺仪（以近代物理学效应为基础）等。
由于卫星信号的频率限制（一般为1~20Hz），高动态（即载体运动有较大加速度或较高转速）运动的载体，仅靠卫星信号无法实时准确获取载体位置，因此航天器（火箭、导弹等），航空器（高速飞机和无人机等）都会采用高精度的惯性导航系统。此外，在无法有效接收卫星定位信号的应用场景下，如水下、隧道、管道，以及其他卫星定位信号受干扰的情况下，也会用到惯性导航。因此惯性导航不仅在国防领域大量使用，在很多民用领域也发挥着不可替代的作用。
3 卫星导航中的量子精密测量
随着科技的发展，量子技术逐渐在导航领域得到应用。比如在卫星导航中，就有量子精密测量的身影。
尽管原子钟基于量子力学原理，但传统原子钟不涉及直接操控量子体系，因此习惯上归类于光谱技术而不是量子技术。直到上个世纪80年代激光冷却原子气体的技术出现，接近绝对零度的原子气体消除了因为运动产生的频率不确定度，让原子钟的精确度大幅提高，进入量子频标的时代。
例如现在导航卫星主要采用的氢原子钟和铯原子钟，都是热原子蒸汽，频率准确度和稳定度为10的-9次方量级，那么对于高轨卫星（36000km地球同步轨道）来说，地球表面定位误差理论上能到分米级，考虑到其他误差影响会在米级。而冷原子钟的频率不确定度可以达到为10的-13次方量级甚至更高。例如我国天宫二号的空间冷原子钟是世界上第一个空间在轨运行过的冷原子钟，短期准确度和稳定度达到了10的-16次方量级，长期准确度和稳定度达到了10的-13次方量级，我国的空间站和墨子号卫星二代（中高轨）也都会装载更精确的光频率冷原子钟做实验。
冷原子钟照片。新华社发
如果多个高轨导航卫星上都安装冷原子钟，那地球表面定位误差理论上就是微米级。这样的导航精度用在地球上有些浪费，但是用在探索太阳系上就意义非凡。例如地球到太阳系其他行星的距离最远可达几十亿公里，这时地球轨道上如果有多个携带冷原子钟的飞行器，可以把其他行星距离飞行器的定位误差控制在米级。同时它还能有效支持很多基础科学的研究，比如更精确地测量物理常数和遥远星系距离、监控引力波现象、寻找暗物质和暗能量的证据等。
4 潜力巨大的量子导航
通常意义的量子导航指的是使用量子精密测量技术的惯性导航。相比于使用冷原子钟的卫星导航，使用原子陀螺仪和原子加速度计的惯性导航在地球上的应用场景更为普遍，也具备更好的产业化前景。
量子导航在传统惯性导航的基础上，利用量子传感器代替传统传感器，由于量子传感器采用了量子精密测量技术，理论精度更高，因而可显著提升惯性导航系统的精度和长期稳定性。原子陀螺仪和原子加速度计在惯性导航中可以显著降低系统的漂移误差，并能在长期运行中保持高精度，通常能将目前的惯性导航精度提高2-3个数量级。量子导航可以看作是传统惯性导航技术的革新与升级。
目前量子导航比较成熟的方向是原子加速度计和原子陀螺仪。和冷原子钟一样，原子陀螺仪和原子加速度计也采用了冷原子技术，但使用的是冷原子的物质波干涉。根据量子力学原理，原子的物质波波长lambda和其动量p成反比,相乘为普朗克常数h。常温下的原子动量很大，导致物质波波长很短（纳米级），无法观测到物质波干涉。而冷原子的动量很小，物质波波长可以超过一个微米，因此其干涉效应可以被通用的电子学设备测量。由于原子具有质量，加速度会产生外力（牛顿第二定律），导致冷原子的物质波干涉效应会随着所在系统的加速度而变化，这个变化既能测量线性加速度（加速度计），也能测量转动角速度（陀螺仪），因此基于冷原子技术的原子加速度计和原子陀螺仪比较适合共用冷原子资源，集成为一套量子导航系统。
此外，还有一种基于原子极化原子气体的原子自旋陀螺技术路线，能获得更高灵敏度转动测量陀螺仪。其工作原理是在接近零磁场环境下，原子通过光泵极化，使其自旋状态趋向一致。当外界施加一个角速度时，由于角动量守恒，原子的自旋方向会发生偏转。这一自旋变化可以通过探测原子对特定光的双折射效应来测量。在磁场补偿点下，核自旋能够实现对惯性的敏感和对磁场波动的抑制，这使得原子自旋陀螺可以实现对旋转角速度的精确探测，广泛用于精密导航和基础物理研究。
图源：美国量子公司SandboxAQ网站
2024年8月16日，美国量子公司SandboxAQ宣布获得了美国空军（USAF）授予的SBIR Phase 2B战术性资金增加（TACFI），以进一步开发Sandbox的双用途AQNav磁导航（MagNav）系统。这是一种突破性的导航技术，利用专有的AI大型定量模型（LQMs）、量子传感器以及地壳磁场，提供一种不被干扰、不被欺骗、全天候、昼夜适用、适应各种环境的被动实时导航解决方案，适用于军事和商业应用，并且完全不依赖全球导航卫星系统（GNSS）。
我国在量子导航技术的研发方面也处于国际领先地位，尤其在量子测量与传感器技术上取得了显著进展。近年来，中国在量子导航领域开展了大量研究，成功研制了原子陀螺仪、原子加速度计等一系列设备，并布局在航天、国防等领域进行的应用。尽管量子导航技术尚未在日常生活中得到广泛应用，但其潜力巨大，具有广阔的应用前景。随着技术的不断成熟，未来量子导航有望在消费电子、物流、灾害应急等领域得到普及应用。
量子（惯性）导航的问世引发了关于其是否会取代以GPS为代表的卫星导航的讨论。量子导航具备不依赖外部信号、能够自主定位的优势，这意味着在卫星导航信号受限或受干扰的情况下，量子导航可以作为重要的备选方案。尤其在军事、航天、深海探索等高需求场景中，量子导航的优势十分明显。然而在短期内，量子导航不太可能完全取代卫星导航。
量子导航系统虽然在精度上具有显著优势，但其成本、体积、功耗等方面仍需要进一步优化。同时，卫星导航已经在全球范围内广泛部署，具有高度的可靠性和成熟性。量子导航更有可能与卫星导航互补，共同构建一个更为健全的全球导航体系。例如，在卫星导航信号丢失时，量子导航系统可以接管导航任务，提供连续的位置信息，从而提高导航的稳定性和安全性。
栏目主编：秦红 文字编辑：卢晓川
来源：作者：瞭望智库
