信號弱？量子導航來幫忙（科技大觀）

日常生活中，不管是駕駛車輛、外賣點單還是運動鍛鍊，經常會用到衞星導航技術。那麼，沒有衞星導航信號或信號很弱時，人們該如何導航？科學家提出了一種新思路——將量子傳感器應用於導航，實現衞星信號拒止條件下的定位、導航、授時功能。衞星信號拒止條件是指導航衞星信號受到干擾、遮擋甚至惡意攻擊等無法正確輸出導航參數信息的情形。

4月初，澳大利亞Q-CTRL公司的一項研究宣佈，他們研製出首個在商業上可行的量子慣性導航系統，其精度可達傳統慣性導航系統的46倍。目前，量子導航領域已成為國際科研前沿熱點之一，中國、美國、俄羅斯和歐盟等都提出了各自的發展計劃和時間表。

量子導航系統使用的量子傳感器，是一種利用量子力學原理來探測微觀世界的新型工具。它們利用量子相干效應或量子糾纏等特性，可實現對某些物理量的精確測量，比如電磁場、時間、重力加速度、温度、壓力、角速度等。憑藉超高精度、超高靈敏度、超快響應速度等特點，量子傳感器有望帶來顛覆性改變，突破傳統傳感器瓶頸。

在衞星信號拒止條件下，目前量子傳感器主要提供3種不同的導航替代方案：

第一種是量子慣性導航系統，其結構與傳統慣性導航系統基本類似，主要由原子陀螺儀、原子加速度計、原子鐘和信號採集處理單元等4個部分構成。通過對原子的量子調控，原子陀螺儀可實現超高靈敏度的慣性測量，包括對運動物體加速度、角速度的精準測量，即時計算其位置和姿態。比如，在傳統慣性導航系統下，潛艇定位偏差每天可達數公里，而量子慣性導航系統的誤差有望實現每月小於1公里。這一系統在未來深空探測中也大有可為。

第二種和第三種方案分別是量子磁力導航和量子重力導航。由於地球各區域的磁場和重力加速度都不一樣，理論上我們可以繪製出地球磁場地圖和重力加速度地圖，在衞星信號拒止條件下，通過量子傳感器測量磁場或者重力加速度的變化，將收集的數據與已知的地圖比對，就能快速確定自身位置。目前，英國已經利用無人機搭載量子磁強計，並輔助其他技術手段，實現10釐米精度的衞星信號拒止環境定位。

這兩種方案還可應用於地下勘探、海底潛航。深地、深海等環境是衞星導航常見的盲區，量子導航可以用於探測地下百米級的地質構造、地下無人駕駛地鐵的釐米級定位等。

整體來看，量子導航系統優勢明顯。它具備比傳統衞星導航更高的精度，並且不依賴外部信號，在衞星信號受限或受干擾的環境中仍能正常工作。同時，量子傳感器的信號不向外發射，不易被外部探測和截獲，也具有較好的隱蔽性。

不過，當前發展量子導航系統還面臨很多困難：一是系統設備較為複雜，成本高；二是量子傳感器對外界環境因素極為敏感，需要研發先進的屏蔽技術和抗干擾算法，以提高複雜環境下的適應性和穩定性；三是產生的數據量龐大，需要進行高效的數據處理，並消除累計偏差。如果能夠突破這些挑戰，未來融合傳統衞星導航和量子導航的全球導航系統，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。

（作者為中國科學技術大學科技傳播系副研究員）