导航系统让世界不再遥不可及。资料图片

●更可靠、更安全、更精准、更轻便，破解传统导航难题，量子导航应运而生

●量子导航作为量子信息科学重要发展方向之一，受到世界各国广泛关注

●量子导航系统或将成为军用导航系统新锐，给世界军事带来革命性变革

“在未来某个战场上，士兵身处陌生地域。随身携带的设备上，量子导航系统精确显示出士兵所处的位置。通过高精度重力传感器，他探测到前方有一个疑似钢筋混凝土建造的地下工事，可能隐藏了大量敌军和物资。在将地下工事的精确坐标上报给空中打击单元后，智能弹药准确实施了火力打击，士兵安然无恙”——这是国外某科研机构设想的未来作战场景，当GPS受到干扰失效时，量子导航将成为未来战场制胜的关键。

量子导航，顾名思义就是基于量子特性的导航定位技术。它利用量子效应传感器，通过对电场或磁场的强度、频率、时间、相位等实际物理量进行测算，得到高于经典测量精度的位置时间信息。由于量子导航不使用电磁波，而是借助于量子纠缠态的制备及传输技术，使得它在信息传输的安全性和精确性等方面具备独特优势。量子导航有望破解传统导航所面临的安全、准确度以及使用条件限制等问题，已成为当前新一代导航技术的研究热点。

从传统导航到量子导航

在人类文明演进的漫长历史中，导航技术是人类从事经济贸易、推动文化交流、地理探索发现以及部署运用军事力量的支撑性技术。

在天体导航、地文导航和地磁场导航“唱主角”的时代，导航所能提供的时空信息虽然比较粗糙，依然能对人们探索世界起到重要作用。七下西洋的郑和船队，凭借的便是“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针”的导航技术，其航迹遍及西太平洋、北印度洋。

20世纪以后，随着科学家对电磁学研究的不断深入，无线电导航系统在第二次世界大战中大放光彩。高精度石英钟的出现以及数据解算工具的进步，则促进了惯性传感器技术的发展，惯性导航系统因此发展起来。无线电导航、惯性导航时代的到来，使得导航技术服务的范围和精度大幅提升。

1964年，美国建成“子午仪”卫星导航系统，交付海军使用，正式拉开了卫星导航的序幕。在其基础上研发的全球定位系统（GPS），也于1994年正式为全球提供实时、全天候和全球性的导航服务。其他国家和地区也不甘落后，纷纷加快了卫星导航系统的研发脚步。如今已形成美国的全球定位系统、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统、欧盟的伽利略卫星导航系统和中国的北斗卫星导航系统“四足鼎立”的局面。

当前，以卫星导航、惯性导航等为代表的各种导航系统，正在服务全球范围内的航空、航海、制导、测绘、电力、通信、农业、交通等领域，给社会生活带来极大便利。

然而，随着人们对导航系统的依赖性不断加强，导航系统的可靠性、安全性、精确性等问题越来越受到重视。

卫星导航系统抗干扰能力弱，已经成为困扰人们的难题。2003年伊拉克战争中，美国发射了80多枚“战斧”式巡航导弹。然而由于其终端制导依靠的GPS系统受到干扰，有多枚导弹偏离了目标。相似的场景，也出现在各个战场上。除此之外，在深水、地下、地形复杂的密林山区和密集建筑区等环境中，卫星导航系统并不能发挥其应有的功用。

在卫星导航技术使用受限的场景中，人们通常选择使用惯性导航，但是惯性导航又存在误差累计的问题。据专家测算，水下航行的潜艇如果仅凭传统惯性导航技术，一昼夜累积的导航误差就超过1千米。这样巨大的误差，根本无法满足长时间自主导航的需求。

在此背景下，基于量子特性的量子导航技术应运而生。

更高的精度和安全性能

量子是如此神秘，它究竟怎样运用于导航呢？

按照技术路径不同，量子导航技术主要分为星基量子导航和量子惯性导航这两类。

星基量子导航，是量子信息技术与卫星导航理论相结合的产物。它采用收发量子信号的方式定位，覆盖范围较大，但是需要捕获、跟踪、瞄准系统和精密的时钟系统配合。

2004年，美国提出了一种较为完备的星基量子导航系统方案。其实现方式与传统卫星导航系统类似，由位置精确已知的6颗导航卫星发射信号。与传统卫星导航系统以电磁信号为测量载体不同，星基量子导航测量载体为具有纠缠特性的光子对，以量子测距理论替代无线电测距理论。

星基量子导航可以突破传统卫星导航定位精度上限，提供小于1厘米的定位精度。想象一下，在如此高的定位精度下，我们几乎可以准确到达任何一个想要到达的地方。如今跟着GPS反而迷路的笑话，未来将不会再出现。

此外，星基量子导航还具有很高的安全性。星基量子导航信息载体为纠缠双光子，具有不可克隆、不可分割、不可复制等特性。第三方一旦窃听卫星与用户通信信道，必然会干扰正常的信息传输，从而引起用户的警觉。

然而，由于量子信号制备、量子操控等核心技术还未达到实用化阶段，目前星基量子导航相关研究仍处于概念研究阶段。

量子惯性导航的结构与传统惯性导航系统基本一致，主要由原子陀螺仪、原子加速度计、原子钟和信号采集处理单元等4个部分构成。通过对原子的量子调控，基于原子自旋、冷原子干涉效应的原子陀螺仪和重力仪可实现超高灵敏度的惯性测量。

原子陀螺仪取代了传统的陀螺仪、高精度原子钟代替了恒温晶振，这些都使得量子惯性导航具有比传统惯性导航更高的精准性和稳定性。理论上，量子惯性导航可以实现24小时1米以内的导航位置偏移误差。

高精度和微型化，是目前量子惯性导航追求的两个目标。

2018年，英国帝国理工学院与一家量子技术公司合作，推出了英国第一个用于导航的量子加速度计。据介绍，这款量子加速度计以超冷原子为基础，其精确度比传统加速度计提高1000倍。

美国则希望将原子钟、惯性传感器和测量元器件一体化集成，研发出芯片级尺寸的惯性导航与精确制导系统。随着微精密加工技术的发展，研究人员或将研发出仅有8立方毫米的导航芯片。

现阶段看，随着原子陀螺仪、原子加速度计、原子钟等关键技术快速进步，量子惯性导航很有希望迈入实用化阶段并发挥重要作用。

或将改写未来战场法则

正如无线电导航、卫星导航等传统导航率先运用于军事，量子导航在军事上的应用也是各国最为关注的方面之一。许多国家甚至将量子导航技术上升到国防战略的高度。

美国一直把量子导航技术列为高优先级，并启动了一系列项目和计划。目前，美国空军正在联合一家科技公司开发量子导航系统。这套系统利用地球磁场作为信号，使用的量子传感器对电场和磁场的变化具有高度响应。此外，这套系统还集成了人工智能系统，用于识别和消除飞机和车辆的振动和其他噪声等干扰，以提高信号处理的速度和准确性。

英国十分重视发展量子导航技术，把量子导航确立为赋能国防的关键量子技术之一。今年5月，英国帝国理工学院研制的量子加速度计搭载海军“帕特里克·布莱克特”号实验舰完成海试，迈出由实验室到实际应用的重要一步。这项技术或将在未来无GPS的环境中，提供持续精确定位和导航服务。

今年8月，澳大利亚也公布了其发展量子技术的最新举措。澳大利亚国防部宣布与美国一家量子技术公司建立合作关系，联合开发量子导航技术，从而提升军事和安全应用能力。

法国、德国等许多国家，正在积极推动高性能原子陀螺仪、原子加速度计和原子钟的研发。

虽然目前量子导航技术还未能在军事领域一展身手，但其蕴含的实战潜力和应用前景是显而易见的，甚至会引发作战模式的变革。

首先，量子惯性导航具备和传统惯性导航系统同样的优点，抗干扰能力强、隐蔽性强、能适应各种环境，特别是卫星导航信号受限的地方。而量子惯性导航的精度要远高出传统惯性导航系统，这使得它可以更加满足水面舰艇、潜艇、深空飞行器等装备的作战需要。

其次，量子导航的安全性更高。量子纠缠的特性使得对手很难获得导航定位数据，或者干扰导航系统的运行。

此外，量子导航系统的体积往往比较小，可以搭载各种不同的载体，比如微小型智能平台、无人机群等。它也可以由单兵携带，甚至安装在智能手机之中。

不久的未来，量子导航或将重新定义战场精度，重塑未来战争面貌。（赵 旺）