科普天地|量子导航揭秘

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一、量子导航定位系统

2001年，美国麻省理工学院（MIT）的一篇文章中，首次提出量子导航定位系统(QPS)概念。2018年，英国帝国理工学院研制出了全球首款用于导航的量子加速度计。

量子导航定位系统可分为星基量子导航系统和量子惯性导航系统。量子惯性导航包括原子陀螺仪与原子加速度计。是一种以超冷原子为基础的加速计，它能精确跟踪载体移动的位置。

潜艇下沉后无法接收GNSS信号，需要使用加速计导航（惯导），但加速计并不精确。潜艇持续在水下航行一天可能偏离航线1公里左右，而采用QPS导航会将偏离减小到1米。QPS比传统惯导的精度高1000倍。

激光能使原子云冷却到接近绝对零度。超低温下原子会变成量子态，很容易受外力干扰。这时用另一束激光来跟踪监测，就能计算出外力大小。

但是QPS不能将微小的引力和加速度区分开。因此还需要有高精度重力矢量场。

二、激光

激光的原理早在 1916 年已被爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次成功制造。

自发辐射：光是原子中的电子吸收能量后，从低能级E1跃迁到高能级E2，再从高能级自发回落到低能级的时候，以光子的形式释放的能量。而激光是被激发出来的光子队列，队列中光子的光学特性一样，步调一致。

受激辐射：当频率为 ν =（E2-E1）/ h的光子入射时，也会以一定的概率引发粒子从高能级E2跃迁到低能级E1，同时辐射一个与入射光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子。

粒子数反转：普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小。要想使受激辐射占优势，就必须使处在E2的粒子数大于处在E1的粒子数。

激光原理：物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光——激光。

三、激光致冷

从20世纪七十年代以来，利用光子使原子减速（多普勒冷却效应）。能在极小的尺度上，使原子冷却到绝对温度零上百万分之一度。

原子运动越激烈，物体温度越高。所以，只要降低原子运动速度，就能降低物体温度。

在常温下，气体原子以每小时1600公里的速度运动着，而在3K的温度下则是以每小时1米的速度运动。

激光制冷的原理就是使原子陷于光子海洋中，运动不断受到阻碍而减速。激光的这种作用被形象地称为“光学粘胶”。

用上下、左右、前后三对激光束，就可以让朝各个方向运动的原子都减慢运动速度。

四、绝对零度

绝对零度：0 K = -273.15 ℃。

在绝对零度下，原子和分子拥有量子理论允许的最小能量。

相对论认为，绝对静止是不存在的，因为没有一个绝对空间。而量子力学认为，粒子速度的不确定性与位置的不确定性的乘积不能小于普朗克常数 (海森堡不确定关系)。也就是说，不可能使原子静止。

那么，绝对零度是如何得到的？

根据热力学中的理想气体状态方程：P/T=C1 或V/T=C2，就可以拟合、推导出绝对零度为-273.15℃。

绝对零度是理想气体分子停止运动时的温度。

事实上，一切物质在温度接近-273.15℃时，将表现出明显的量子特性。这时物质已经不是气体、液体或固体。而是聚集成一个整体——“超原子”，表现为一个单一的实体。分子的运动已不再遵循经典物理的热力学统计规律。

绝对零度时，分子的能量并不为零，而是具有一个很小的数值。全部粒子都处于能量的最低状态，也就是全部粒子都处于基态。

自然界最冷的地方在布莫让星云，温度为零下272℃。是目前所知自然界中最寒冷的地方。这是宇宙大爆炸留存至今的温度。

作者简介：

西安刘光明研究员，研究方向为空间大地测量。近年来，应多个学术机构邀请，在各省会城市做“CGCS2000坐标转换”和“北斗导航卫星系统”等专题培训讲座80多次。

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编辑 / 黄松  审核 / 黄松 杨长龙

指导：万剑华教授