量子定位能否替代衛星導航

文／陳思進

目前，全世界大量的設備都依賴衛星定位系統來定位和導航，但是，衛星定位系統的信號有時會被阻塞或是被劫持，而無需衛星定位的量子定位技術，將可以實現新型定位導航。那么，什么是量子定位呢？

量子定位系統（QPS）的概念最早始于2001年，由美國麻省理工學院電子學研究實驗室從事博士后研究的喬瓦內蒂·維托里奧博士、洛倫佐博士，以及與從事量子計算和量子通信研究的機械工程學教授勞埃·德賽斯一起，在他們共同發表的《量子增強定位和時鐘同步》的文章中提出的。

自脈沖式量子定位提出以來，作為導航系統中重要的定位、授時功能的體現，基于量子糾纏及量子壓縮特性的光子脈沖測距和測時等相關研究，不斷地被媒體報道。

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

衛星導航通過向在軌衛星發射電磁波脈沖，并檢測信號到達接收機的時間延遲來實現定位的方式，導致了偽距誤差。與衛星導航采用的電磁波信號不同，QPS的測距信號是具有量子特性的脈沖信號，這種信號是由沒有電荷和質量的光子所組成。通過量子理論與量子力學，光量子具有奇特的量子糾纏和量子壓縮的特性。

當前，主要的兩種量子導航定位系統有星基量子導航系統和量子慣性導航系統。一類由于和傳統衛星導航類似，需要發射信號來實現用戶的四維坐標的定位，不同之處在于QPS采用的是相干關聯的量子信號，所以依然屬于有源定位系統；而另一種基于量子慣性器件實現導航的量子定位系統，與傳統慣性導航系統類似，是靠著自身的慣性器件，來實現姿態調整與定位，不需要從在軌衛星實時接收信號進行測距和授時，屬于無源定位系統。

其中，量子羅盤（原名為量子指南針）是一種新型導航技術。這種不會受到數據篡改和信號干擾影響的全球定位設備，通過把一些離子囚禁于過冷狀態，并減少外部電波造成的影響，使被囚禁離子僅僅對地球產生的電磁擾動敏感，再通過測量地球產生的電磁擾動對這些離子的影響，科學家便能以極高精度，跟蹤含有被俘離子芯片的運動狀況。

英國防務科技實驗所已開發出小到3英尺（約合91厘米）見方的量子定位系統。英國國家物理實驗室的鮑勃·科克肖特表示：“在物理學上還不存在能干擾這種（新）設備的方法。”這種定位技術也將不需要衛星，也不再需要無線電發射塔這類固定的參考點。

此外，美國桑迪亞國家實驗室打造了一個鈦金屬外殼、牛油果大小的真空設備，將來在電單車、飛機上配備這樣的設備，可以無需依賴GPS系統而實現定位和導航，即可安全定位自己的所在位置。過去一年來，該項目的研究組一直在觀察這套設備的運行情況。

未來量子定位技術能否取代GPS？

目前，仍需要進行以下準備工作，比如：首先要構建完整的體系框架。量子定位和導航技術還停留在實驗室階段，不具備完整的系統框架。理論上，完整的系統框架應包括量子糾纏準備方案、衛星基線對的設置、角反射器、HOM干涉儀、構象計數器、抗噪聲儀措施、多用戶協議等。

其次要維護量子信號的糾纏狀態。量子定位技術可能需要長距離傳輸量子信號，而以目前的技術進展，量子糾纏距離、連貫性和穩定性都存在一定的局限性。

第三，量子定位技術要與經典定位技術的融合。衛星定位、慣性導航等技術經歷較長發展過程已較為成熟，而量子定位系統的發展需要一定的時間。

現階段，沒有任何技術能夠提供類似于GPS等衛星定位系統的精度和全天候、全地域工作能力，并在使用成本上與GPS相提并論。

總之，量子定位技術與經典定位技術將在很長一段時間內并存，量子定位技術能否取代GPS還有待時日。