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

圖源：視覺中國

量子定位系統(tǒng)（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(nèi)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?！さ沦愃挂黄?，在他們共同發(fā)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(tǒng)中重要的定位、授時功能的體現(xiàn)，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(wèi)星導航通過向在軌衛(wèi)星發(fā)射電磁波脈沖，并檢測信號到達接收機的時間延遲來實現(xiàn)定位的方式，導致了偽距誤差。與衛(wèi)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(tǒng)有星基量子導航系統(tǒng)和量子慣性導航系統(tǒng)。一類由于和傳統(tǒng)衛(wèi)星導航類似，需要發(fā)射信號來實現(xiàn)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(lián)的量子信號，所以依然屬于有源定位系統(tǒng)；而另一種基于量子慣性器件實現(xiàn)導航的量子定位系統(tǒng)，與傳統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)類似，是靠著自身的慣性器件，來實現(xiàn)姿態(tài)調整與定位，不需要從在軌衛(wèi)星實時接收信號進行測距和授時，屬于無源定位系統(tǒng)。

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(shù)據(jù)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(tài)，并減少外部電波造成的影響，使被囚禁離子僅僅對地球產(chǎn)生的電磁擾動敏感，再通過測量地球產(chǎn)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(fā)出小到3英尺（約合91厘米）見方的量子定位系統(tǒng)。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?！边@種定位技術也將不需要衛(wèi)星，也不再需要無線電發(fā)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(tǒng)而實現(xiàn)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？

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)模型。新華社記者林善傳攝

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(tǒng)框架。理論上，完整的系統(tǒng)框架應包括量子糾纏準備方案、衛(wèi)星基線對的設置、角反射器、HOM干涉儀、構象計數(shù)器、抗噪聲儀措施、多用戶協(xié)議等。

其次要維護量子信號的糾纏狀態(tài)。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(wěn)定性都存在一定的局限性。

第三，量子定位技術要與經(jīng)典定位技術的融合。衛(wèi)星定位、慣性導航等技術經(jīng)歷較長發(fā)展過程已較為成熟，而量子定位系統(tǒng)的發(fā)展需要一定的時間。

現(xiàn)階段，沒有任何技術能夠提供類似于GPS等衛(wèi)星定位系統(tǒng)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(jīng)典定位技術將在很長一段時間內(nèi)并存，量子定位技術能否取代GPS還有待時日。

來源：科普時報

作者：陳思進（加拿大某國際財團風險管理資深顧問，科幻作家）

編輯：吳桐

審核：王飛

終審：陳磊