有了北斗系统，为什么还需要量子导航？

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导读：导航，将是量子技术的又一场革命。澳大利亚量子初创公司Q-CTRL继去年宣布将联合导航硬件公司Advanced Navigation开发量子增强型精密导航和计时(PNT)之后，今年3月又宣布与一家纳米卫星初创公司Fleet Space Technologies合作，开发用于太空探索的量子传感和导航技术。实际上，不只是澳大利亚，已有多个国家正在加快研究量子导航。

去年6月，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射北斗系统第五十五颗导航卫星，暨北斗三号最后一颗全球组网卫星，至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成。

以“北斗”为代表的卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时提供高精度、高可靠定位、导航、授时(PNT)。

发展本国的导航系统对国家而言具有重要的战略价值，目前国际上有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略(Galileo)卫星导航系统。

但卫星导航系统也有缺陷，比如电磁波容易受到干扰，在水下、密林深处、地下和有障碍物覆盖的地方更是无计可施。在无法接收卫星信号时，只能依赖惯性导航系统(INS)，但目前传统的惯性导航系统又面临体积庞大和精度不高的问题。

在这种情况下，基于量子技术的导航系统可能是解决方案。

根据定位方式的不同，在卫星有源导航系统与惯性无源导航系统的基础上分别发展出了量子有源导航系统和量子无源导航系统：

量子有源导航采用发射和接收量子信号的方法，定位过程通常使用卫星作为信号源；而量子无源导航使用量子传感器设备进行定位，不需要外部信号，通常通过检测加速度来定位。

量子定位系统(Quantum Positioning System, 简称QPS)的概念最早是2001年由美国麻省理工学院(MIT)的Vittorio Giovannetti博士、Lorenzo Maccone博士与Seth Lloyd教授共同在Nature杂志上提出，并通过计算证明了量子纠缠和压缩特性可进一步提高定位精度。

Giovannetti提出的QPS是一个量子有源导航系统，其原理如下：

Alice作为待测点，Detectors则是由已知不同位置的M个检测器组成的信号接收点，在实验过程中，Alice向每一个检测器发送相同频谱（脉冲的带宽）以及功率（每个脉冲所包含的光子数N）的脉冲，因此各组脉冲具有频率纠缠性及强相关性，通过测量信号到达各检测器的平均时间可以获取待测点Alice的具体位置。

理想化实验结构示意图

在相同的理想通信通道中，M个检测器记录的到达时间具有相互纠缠特性，使计算得到的平均时间的精度提高了√Ｍ倍(与相同带宽条件下的非频率纠缠脉冲相比得到的)；每组脉冲都包含Ｎ个纠缠态光量子，测量时可以获得√Ｎ倍的精度提高(与量子数目同样为Ｎ的经典相干态下的脉冲相比得到的)；由此可知，在Alice端发射M组频率相互纠缠且结合了光子压缩的脉冲信号进行关联测量，综合后最终可获得√ＭＮ倍的精度提高。

2004年，美国陆军研究实验室(ARL)的Bahder博士结合传统卫星定位思想与光量子纠缠脉冲干涉式测距技术，率先提出了可以实现空天定位的星基量子导航系统的设计方案。

该系统采用与传统卫星导航相似的结构。由三条基线组成，每条基线包含两颗以地球中心为坐标原点的低轨卫星，三条基线形成一个相互垂直的坐标系。此外，每条基线还包括半导体光源、延迟滤波器、分束器和两个光子探测器。

首先光源分别向两颗卫星发射光束，经反射后到达分束器，然后分束器分别传输到两个光子探测器，通过调整延迟时间，使观测到的纠缠光子计数率最小。此时，可以知道这两条路径具有相同的传播时间。最后，通过计算卫星之间的距离和延迟滤波器产生的延迟，利用数学平台计算出目标的精确位置。

量子有源导航中，关键技术包括：光子纠缠态的制备，捕获、跟踪和瞄准系统及技术，量子时钟同步技术等。

·光子纠缠态的制备

量子卫星导航系统在测距过程中需要许多纠缠光子。目前，有关制备纠缠态的方法很多，如非线性晶体的参量下转换效应、离子阱和原子-光腔。

其中，通过非线性晶体的自发参量下转换(SPDC)所产生的纠缠光子对所能够获得的纠缠纯度最高，而且在制备过程中有很好的可控性，同时具有一定的强度。SPDC是目前产生光量子纠缠态比较常用的方法，它是通过激光泵浦非线性光学晶体的自发参量下转换过程，所产生的孪生光子对是很好的双量子纠缠源。

利用二阶非线性光学效应，泵浦光子有可能散射分裂成一对光子。光子对中的两个光子可以称为信号光子和闲置光子。当信号光子和显闲置光子处于垂直于泵浦光子的偏振态时，形成I型转换，当信号光子和闲置光子的偏振态相互垂直时，形成II型转换。

1997年，奥地利Zelinger课题组潘建伟等在参量下转换产生的纠缠光子对中实现了量子纠缠交换，之后，中国科大潘建伟教授团队分别于2004年、2007年、2012年、2016年在国际上首次实现对五光子、六光子、八光子、十光子纠缠的制备。

另外，研究人员试图在离子阱系统中实现两个原子甚至多个原子的纠缠态，这种方法的优点是：(1)由于离子被囚禁在高度真空的环境中，几乎处于孤立的不受“干扰”的状况，具有相当长的消相干时间；(2)初态的制备和量子态的测量具有极高的保真度和效率。这些优点也为量子计算和量子信息处理提供了十分有利的条件。

随着冷原子技术和光电测试技术的发展，利用腔量子电动力学(C-QED)制备纠缠态的研究也逐渐展开。

腔的主要思想是将俘获的原子束缚在高品质腔中，把量子信息储存在原子能态上，由于腔中原子与腔模场耦合，导致了原子与光场之间相互作用，因此可以利用腔系统进行原子和光场的纠缠态制备。

关于原子与光场相互作用制备纠缠态可以追溯到1997年，郑仕标和郭光灿采用一个两能级原子与光场大失谐相互作用，制备出光场纠缠态。

制备纠缠态的各种方法的研究现状（来源：IOP Publishing）

·捕获、跟踪和瞄准(ATP)系统及技术

除了纠缠态的制备，量子卫星导航系统还需要空间光通信和ATP技术。

ATP系统的任务包括卫星通信终端发射的信标光的捕获和高精度跟踪，以及星载量子信号光的高效率、高保偏接收。空间ATP技术的难点在于两个方面：

(1)对高精度的要求，考虑到空间损耗对误码率的影响，空间尺度量子通信中的量子光发散角通常接近光学衍射极限，因此光束必须对准在微弧度级(μrad)；(2)对高稳定性的要求，系统受大气信道损耗、卫星平台干扰、空间热环境等因素的影响。一个好的系统在这些情况下能很好地工作。

ATP系统的设计将机械旋转平台与光学天线绑定，并自动调整接收到的光信号，保证接收质量。通常，系统运行过程分为粗跟踪和细跟踪。首先粗跟踪在大范围(±1°至±20°)捕获目标。捕获后，通过精跟踪系统可以实现目标的瞄准和实时跟踪精度，达到1-10μrad。

·量子时钟同步技术

量子钟同步是由量子对（光子或原子）的量子纠缠而产生的。在量子有源导航系统中，定位和时钟同步是两个相对独立的过程。通过二阶量子相干性，精确测量用户时钟与位于坐标系原点附近的系统时钟差，并使用户时钟与系统时钟同步。星基QPS的同步过程不需要用户时钟和系统时钟之间的距离。

HOM干涉仪的双光子符合计数测量只要求时钟在较短的测量周期内保持稳定，因此，时钟同步对用户时钟和星载时钟只有短期稳定性要求，没有长期稳定性要求。但是，位于坐标系原点附近的系统时钟应具有良好的长期稳定性，才能长期保持精确的系统时间。

量子时钟同步的各种方法的研究现状（来源：IOP Publishing）

量子无源导航系统基于量子惯性器件实现导航，与传统惯性导航系统类似，靠自身惯性器件实现姿态调整与定位，不需要从在轨卫星实时接收信号进行测距和授时。

早在2003年，美国国防部高级计划研究局(DARPA)就制定了“精确惯性导航系统(PINS)”的研究计划，其利用超冷原子干涉原理实现高精度惯性导航系统，并集成到载体平台上。总的位置漂移≤5m/h，整体尺寸约2立方英尺，功耗<100W。它可以补偿重力变化引起的位置误差，实现全张量重力梯度测量。

2010年，DARPA又启动了“基于微技术的定位、导航与时间系统”(Micro-PNT)项目，实现大小仅为8立方毫米、功耗仅为1w的授时与惯性导航单元。通过周期性的内部误差修正来减小漂移误差，从而提高系统精度。

量子惯性导航系统具有与常规惯性导航相同的结构，由三维原子陀螺、加速度计、原子钟和信号处理模块四部分组成。一些结构还包括时空信息收发模块和姿态控制模块。

其中，原子陀螺、原子加速度计和原子钟是量子无源导航系统的核心模块，它们的性能直接影响系统的定位性能。

·原子陀螺

根据工作原理的不同，原子陀螺可分为原子干涉陀螺和原子自旋陀螺。

原子干涉陀螺则与光学中的Sagnac效应类似，经过激光深度冷却以后，原子会产生较强的相干性，物质波属性变得明显。利用这种物质波的干涉可以实现角速度的敏感测量。

由于原子的物质波长远小于光波长，而且原子的运动速度也远小于光束，因此采用这种干涉制成的陀螺仪理论精度可以是光学陀螺仪的10¹⁰倍。

Sagnac效应

原子自旋陀螺是利用碱金属原子自旋的拉莫尔进动来实现角速度的传感。目前原子自旋陀螺的主流方案有两种：一种是利用双核素法的核磁共振原子自旋陀螺(NMRG)，一种是工作在自旋交换无弛豫态(SERF)下的原子自旋陀螺(SERFG)。

自20世纪60年代美国开始对NMRG进行研究以来，世界各国对原子陀螺的研究已有半个世纪。

原子陀螺的研究成果（来源：IOP Publishing）

·原子加速度计

原子加速度计也是利用冷原子干涉效应来实现的。因此其发展通常是伴随冷原子干涉陀螺仪的发展。量子加速度计比传统惯性器件好几个数量级。例如，潜艇航行100天后，位置测量误差小于1公里，则潜艇可以在没有卫星导航的情况下进行长时间的航行。

美国耶鲁大学分别在1998年和2002年利用上抛冷原子实现了重力梯度测量。2006年，美国航空航天局(NASA)喷气推进实验室(JPL)在完成了原子干涉仪二代实验室样机。

原子加速度计的研究成果（来源：IOP Publishing）

2014年，英国国防科学与技术实验室(DSTL)开始研究一种以超冷原子为基础的加速计，将其直接命名为QPS。

DSTL加速度计的原理是：激光捕获真空中的原子云，并使其冷却至绝对零度以上不到1度的温度。超低温下，原子会变成一种量子态，这种量子态很容易受外力干扰。这时用另一束激光来跟踪监测干扰造成的变化，就能计算出外力大小。

到了2018年11月，伦敦帝国理工学院和M Squared公司展示了英国第一个用于导航的量子加速度计，精确度比传统加速度计提高1000倍，将作为潜艇量子导航系统的一部分，体积只有一个鞋盒大小。

冷原子量子加速度计

潜艇在没有GPS辅助导航的前提下，完全利用传统的惯性导航系统一天的偏移距离能达到1公里左右，QPS一天的偏移距离只有1米。

·原子钟

原子钟是利用原子能级跃迁的频率稳定特性，将振荡器的频率通过伺服系统锁定到原子能级跃迁的共振频率上，实现时间精确计量的工具。在量子惯性导航系统中采用原子钟代替恒温晶振，可以提高定位导航精度和降低长期漂移误差。

1955年，英国国家物理实验室制造出了第一台可用做振荡源的铯束原子钟，开创了实用型原子钟的新纪元。目前最精确的原子钟可以在150亿年内误差不超过1秒，但是这些高指标的原子钟体积庞大，工作环境要求苛刻，不适合于惯性导航系统。

气泡型铷钟体积小、功耗低、成本低，是最早使用的星载导航钟。但对于芯片级的量子导航系统而言，则需要更小体积和更低功耗的原子钟。

被动型相干布局俘获(CPT)原子钟由于不需要传统微波腔。理论上其体积、功耗的减小程度不受限制，这使得研制芯片级的原子钟成为可能，因此CPT原子钟可能成为未来量子导航系统中原子钟的主要类型。

美国已经将芯片级原子钟作为十大未来先进技术之一予以优先支持，并制定了10年的发展计划。目前，美国Symmetricom公司生产的CPT芯片级原子钟产品功耗为125mW，体积为16cm³，频率稳定度约为3e-10τ^－1/2。

2019年，在DARPA的ACES计划支持下，NASA喷气推进实验室(JPL) 、NIST与Honeywell公司三个团队开发的新一代芯片级原子钟在性能优化上取得突破性进展，关键性能参数提高1000倍。

随着原子惯性传感器精度的不断提高，由此类传感器构成的惯性系统精度有望达到5m/h的近地导航极限精度。

2020年12月，麻省理工学院的一组研究人员在Nature杂志上展示了一个更精确的量子纠缠原子钟。研究人员表示，“如果最先进的原子钟被改造成使用他们的新方法，它们的精度将在宇宙的整个生命周期内误差只有0.1秒。”

有了GPS、北斗等全球卫星导航系统，我们为什么还需要量子导航？

首先，无论是量子有源导航系统还是量子无源导航系统，与现有的卫星导航和惯性导航系统相比均具有更高的测量精度。

对基于量子纠缠和量子压缩的星基QPS来说，其测量精度带来了√ＭＮ倍的提高，突破了受限于海森堡不确定性原理的经典测量极限。就量子惯性导航系统而言，基于原子物质波的干涉效应与原子自旋的传感测量具有高灵敏度和极低零偏漂移的优点，与传统惯性导航系统相比，测量精度更高，误差更小，对载体姿态改变的检测灵敏度更高。

其次，量子导航的安全性能更强。将QPS与量子密钥协议相结合，在实现信息保密处理的同时可以提高QPS的安全性。

值得一提的是，量子卫星导航系统虽然提高了精确度和安全性，但是仍然无法在水底、地下和其他障碍物覆盖的区域发挥作用。量子惯性导航系统不仅克服了这一缺点，还将解决传统惯性导航系统精度不高、体积庞大的问题。因此，无源系统是目前QPS研究的主流技术。

目前，各国正在加快投资QPS。

研究量子惯性导航系统是5年2.7亿英镑的英国国家量子技术计划的一部分，由伯明翰大学领导的量子传感与计时技术中心在2020年6月获得了Partnership Resource基金60万英镑的资助，继续研究量子技术在导航上的应用。

美国国防部副部长Paul Lopata透露，2021年，海军研究办公室将研发下一代原子钟，预计这种原子钟将更加坚固，性能比以前的系统高1000倍。国防创新部门也呼吁科技公司开发用于导航的新型量子惯性传感器。

此前，美国国防承包商洛克希德·马丁公司研制了一个可以用于导航的量子磁力仪——Dark Ice。利用金刚石NV色心的量子特性感知地球磁场，当绿色激光照射金刚石时，NV色心会发出红光。由于量子力学的影响，金刚石发出或多或少的光取决于它所处的磁场。然后通过检测“磁异常”作为导航的参考点。

Dark Ice量子磁力仪

德国和法国等国也有相应的计划支持同类研究。此外，2020年，澳大利亚基于人工智能的导航硬件公司Advanced Navigation与量子初创公司Q-CTRL宣布将联合开发量子增强型精密导航和计时(PNT)。

目前，中国几乎没有关于量子导航系统的研究报道，但是与量子导航相关的器件研究，中国在部分领域已处于领先地位，比如量子卫星、量子陀螺等。

正如我们在有GPS的情况下也要发展自己的北斗系统，研制未来的量子导航系统，也有着重大的战略意义。

相关阅读：

参考文献：

[1]宋培帅,马静等.量子定位导航技术研究与发展现状[J].激光与光电子学进展,2018,55(09):29-43.

[2]邹宏新.新一代惯性导航技术——量子导航[J].国防科技,2014,35(06):19-24.

[3]Donghui Feng. Review of Quantum navigation[J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science,2019,237(3).

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