量子導航技術發展現狀分析

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、不可區分性，量子態疊加性和量子態糾纏性.隨著量子特性被科學家不斷挖掘，適用于實際應用的量子新枝術也被逐漸開拓出來.在量子信息科學中，目前主要的應用研究方向包括量子計算、量子通信、量子導航三大方向.本文以構建量子導航技術體系為目標，梳理量子應用技術的研究現狀，并給出相關的發展建議.

量子導航是指基于量子特性的導航定位技術，即利用量子效應傳感器，通過對電場或磁場的強度、頻率、時間、相位等實際物理量進行估計，得到高于經典測量精度的位置時間信息.量子導航應用潛力巨大，按照測量介質不同，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，大運動質量等特點，可測量更為微小的距離差，慣性拖曳效應更加明顯，測量的物理特性更加寬廣[1-2].按照技術手段不同，量子導航可分為基于測距體制的星基量子導航系統、基于角運動/線運動測量的量子慣性導航、基于量子重力測量的匹配導航等技術.量子測距定位技術理論上可突破傳統測量精度極限，實現優于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陀螺儀高10 個數量級[4]；量子重力儀具備固有長程穩定性強、高靈敏度和可重復性等優勢.

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

量子導航技術以其精度、安全性等方面的優勢成為導航技術發展新熱點.我國量子導航技術發展處于追趕超越階段，如何在全面了解量子導航發展現狀基礎上，準確把握量子導航發展趨勢，提出適合我國國情的發展建議是本文重點關注的問題.

1 發展現狀

1.1 星基量子導航發展現狀

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

圖1 星基量子導航示意圖

在傳統衛星導航中，導航信號為經過調制的無線電波，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 顆衛星與用戶構成的三角形閉合光路中，光源產生的雙光子糾纏對分別向2 顆衛星發射，經過衛星折射發送到用戶，2 顆衛星接收到用戶反射的糾纏光子并發送到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聯特性，得到兩個光子經過不同路徑的光程差，實現用戶到2 顆衛星距離差測量.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，不存在衛星導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換光子對的干擾進行完整實驗分析，表明經過偏振分束器與帶通濾波，相干長度可達3.3 μm.國內對量子星基定位系統定位原理、定位性能方面也開展了仿真分析[8-9].但迄今為止，QPS 的相關研究仍然停滯于理論研究階段，目前沒有關于地面半物理仿真實驗的報道，更沒有搭建任何系統性實驗進行原理性驗證.與現有的衛星導航系統相比，QPS 主要技術優勢和特點如下[10]：

1)新型信號體制，提升了測距及定位精度

星基量子導航系統與傳統衛星導航定位系統的本質區別在于采用的信號體制不同.傳統定位系統基于無線電測距理論，采用重復發送的電磁波，通過測量信號到達時間，進而獲得距離測量信息進行定位解算.根據海森堡測不準原理，對于發射功率和信號帶寬受限的經典無線電導航體制，其在定位精度上有著不可逾越的上限[8].星基量子導航系統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，突破經典無線電導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，降低了用戶鐘長穩需求

傳統的衛星導航系統需要星載時鐘的長期穩定性來保證定位精度，QPS 依靠光子符合計數器來測量時差，星載時鐘僅需高精度短期穩定性[8].由于測距問題本質上是時間測量問題，光子到達時間準確度越高，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，規避了對高精度原子鐘過高的技術需求.

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，不可復制的特性.根據量子力學原理，微觀粒子都是處于多個狀態的疊加態，一旦對微觀粒子進行測量，那么將破壞這種疊加態，微觀粒子的狀態也會隨之發生改變.由于QPS 的信息載體是糾纏雙光子，一旦衛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現，因此，星基量子導航系統信息傳輸具有很高安全性[11].

分析QPS 發展停滯的原因，主要在于以下幾個方面：

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

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

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

1.2 量子慣性導航技術發展現狀

量子慣性導航技術是以量子力學和Sagnac 效應為理論基礎，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，再進行導航解算，計算出載體的位置、航向、姿態等信息.原子陀螺/加速度計是量子慣性導航系統的核心傳感器.如圖2 所示，按照技術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.目前國內外優勢發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域.

圖2 原子陀螺技術類別

NMRG 陀螺的主要優勢在于其具有小體積和導航級的精度水平，理論零偏穩定性為10-4(°)/h，預期體積為厘米級，未來主要應用于水下無人潛航器、微小型智能平臺、無人機群等小型化、輕質化應用領域[12].中國航天科工集團三院33 所、航天九院13 所、北京航空航天大學、國防科技大學、中國航空工業集團618所等單位研制的NMRG 陀螺零偏穩定性為0.1 (°)/h量級，與美國Northrop Gruman 公司同類產品相比，在性能上相差一個數量級.小型化NMRG 陀螺工程應用要達到體積與微機電系統(micro electro mechanical system,MEMS)類似，精度與光纖、激光陀螺類似的預期，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陀螺儀的成本和體積，理論零偏穩定性為10-8(°)/h，體積為分米級，未來主要應用于艦船導航等[14].但目前SERF 陀螺存在受磁干擾影響較大，動態測量范圍相對較小等技術問題.北京航空航天大學、航天九院13 所等單位研制的SERF 陀螺精度優于國外公開報道最好水平，目前零偏穩定性為10-3(°)/h.SERF 陀螺要達到戰略級工程化應用還需重點解決抗干擾能力差，現階段精度與光纖、激光陀螺相比優勢尚不明顯等問題.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的發展等[15].

AIG 理論極限零偏穩定性為10-10(°)/h，未來實現工程化后預計可以達到10-6～10-8(°)/h.與零偏穩定性在10-3～10-4(°)/h 量級的激光、光纖陀螺相比，AIG 在測量精度發展前景上具有顯著的優勢.未來主要應用于水面、水下艦艇、潛艇、深空飛行器等領域.但目前AIG 技術成熟度不高，存在體積大，動態測量范圍不足等問題亟待解決.中國科學院精密測量科學與技術創新研究院、清華大學、中船重工717 所、航天九院13 所等單位研制的AIG 儀目前靜態零偏穩定性為10-4(°)/h，體積為0.02 m2，重量70 kg，與法國巴黎天文臺相比，其性能相差一個數量級.AIG 面向船用工程化還需重點突破數據采樣率低，帶寬量程小，實驗室樣機距離理論精度有差距等問題.

1.3 量子重力儀技術發展現狀

量子重力儀是利用冷原子干涉技術精確測量重力加速度、重力梯度等重力場參數的設備，是原子干涉技術最成熟的應用領域.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點[16]：1)原子測量為微觀測量，相比宏觀質量量測方式，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，測量可重復性好，靈敏度高；3)零偏小，長期穩定性好；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定性好的優勢外，其測量精度已經超過目前實際使用的基于加速度計的移動平臺重力儀.這是原子干涉技術應用潛力的實際體現.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，使重力儀設計更加復雜，但干涉時間是自由下落式的兩倍，測量靈敏度更高，干涉區磁屏蔽也更容易實現[16,18-19].

目前我國量子重力儀已實現應用，目前有代表性的產品有三款：1)華中科技大學研制的微伽級量子重力儀，是我國首臺開展行業應用的量子重力儀產品；2)華中科技大學研制的小型化毫伽級量子重力儀，可適用于野外測量；3)中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研制的冷原子重力儀工程樣機，靜態測量精度達到5 uGal，與國際最高精度水平相當.此外，計量院、浙江大學、國防科技大學、中船重工集團707、中船重工集團717 所、航天科技集團九院13 所、清華大學等單位也有相關工程樣機.目前我國量子重力儀總體技術處于國際第一陣列，但重力梯度儀精度距離國際先進水平尚有差距，主要表現在：1)工程應用能力不足，美國已將原子干涉重力梯度儀應用于核潛艇的高精度導航中，將成為高精度組合導航的重要組成.國內研究成果還局限于民用領域，在軍用高精度產品研制、平臺及環境適應性改造等方面還有差距.2)一體化集成能力不高，目前我國產品在精度及體積的兼顧方面還有差距.高精度產品多采用分立式設計結構，小型化不足.3)創新性不足，我國在量子重力儀研制方面取得了一定突破，但技術路線創新性有待提高，部分核心器件國產化水平存在差距[20].

2 發展建議

美國在2006 年國防部“發展中的科學技術清單”、2010 年美軍“技術地平線：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 年國防科學委員會“保持2030 年前優勢的技術與創新”等多項發展規劃和計劃中明確強調了冷原子陀螺發展的重要性，并在其列出的30 項具有潛在發展前景的領域中，將冷原子陀螺列入具有最高優先權12 項技術之一.冷原子定位、導航與授時(positioning,navigation and timing,PNT)技術已成為可提升下一代導航定位核心能力，并能夠在2030 年前投入使用的新興技術，是后續PNT 發展中具有技術引領作用的核心重點研發領域[1].

綜合以上發展現狀及應用前景分析，我國在量子導航技術體系方面已經呈現出了多體制并行發展，以及與國外技術強國比肩趕超的發展態勢，但也存在工程化產品技術成熟度還不足，許多技術瓶頸有待突破等問題.通過現狀及問題分析，瞄準后續發展，提出建議如下：

1)我國在部分精密激光器件、微型化精密加工設備方面，關鍵設備依賴進口，核心技術受制于人.而精密機電設備制造技術發展需要長期技術積累，依靠自身產能和市場機制難以良性發展，建議從國家政策層面持續支持.

2)目前量子測量設備研發還主要集中在陀螺儀研制方面，具有完整導航定位功能的工程化產品相對較少.后續需要加強國內優勢慣性導航系統研制單位之間技術合作，加速系統集成化和工程化.

3)拓展量子慣性導航器件在艦艇、機載、車載等多平臺的測試實驗，結合多場景應用掌握能力需求，摸清設備能力底線，結合需求推動應用技術發展.

3 總結

量子導航技術具有精度高、不易受干擾、安全性好等優勢，是最有希望彌補衛星導航技術缺陷的高新技術，也是未來導航定位技術制高點.本文在全面梳理星基量子導航技術、量子慣性導航技術以及量子重力儀等主要量子導航技術現狀及存在問題基礎上，提出了量子導航后續發展建議，以期為我國量子導航技術產學研全面發展提供參考.

致謝：感謝航天科技集團九院十三所、北京航空航天大學、清華大學、華中科技大學、中國計量科學研究院、中國科學院精密測量科學與技術創新研究院、中國船舶重工集團公司第七一七研究所、中國船舶重工集團公司第七〇七研究所等研究團隊對本文的支持與幫助.