目前，全世界大量的設(shè)備都依賴衛(wèi)星定位系統(tǒng)來定位和導(dǎo)航，但是，衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信號(hào)有時(shí)會(huì)被阻塞或是被劫持，而無需衛(wèi)星定位的量子定位技術(shù)，將可以實(shí)現(xiàn)新型定位導(dǎo)航。那么，什么是量子定位呢？
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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(xué)院電子學(xué)研究實(shí)驗(yàn)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(jì)算和量子通信研究的機(jī)械工程學(xué)教授勞?！さ沦愃挂黄?，在他們共同發(fā)表的《量子增強(qiáng)定位和時(shí)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(dǎo)航系統(tǒng)中重要的定位、授時(shí)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(cè)距和測(cè)時(shí)等相關(guān)研究，不斷地被媒體報(bào)道。
2002年，維托里奧博士在提出QPS概念的同時(shí)，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了基于量子時(shí)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(shí)鐘的同步性不受分散介質(zhì)存在的干擾，提高了量子定位的精度。
衛(wèi)星導(dǎo)航通過向在軌衛(wèi)星發(fā)射電磁波脈沖，并檢測(cè)信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間延遲來實(shí)現(xiàn)定位的方式，導(dǎo)致了偽距誤差。與衛(wèi)星導(dǎo)航采用的電磁波信號(hào)不同，QPS的測(cè)距信號(hào)是具有量子特性的脈沖信號(hào)，這種信號(hào)是由沒有電荷和質(zhì)量的光子所組成。通過量子理論與量子力學(xué)，光量子具有奇特的量子糾纏和量子壓縮的特性。
當(dāng)前，主要的兩種量子導(dǎo)航定位系統(tǒng)有星基量子導(dǎo)航系統(tǒng)和量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。一類由于和傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航類似，需要發(fā)射信號(hào)來實(shí)現(xiàn)用戶的四維坐標(biāo)的定位，不同之處在于QPS采用的是相干關(guān)聯(lián)的量子信號(hào)，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(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的量子定位系統(tǒng)，與傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)類似，是靠著自身的慣性器件，來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整與定位，不需要從在軌衛(wèi)星實(shí)時(shí)接收信號(hào)進(jìn)行測(cè)距和授時(shí)，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(dǎo)航技術(shù)。這種不會(huì)受到數(shù)據(jù)篡改和信號(hào)干擾影響的全球定位設(shè)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(duì)地球產(chǎn)生的電磁擾動(dòng)敏感，再通過測(cè)量地球產(chǎn)生的電磁擾動(dòng)對(duì)這些離子的影響，科學(xué)家便能以極高精度，跟蹤含有被俘離子芯片的運(yùn)動(dòng)狀況。
英國防務(wù)科技實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的鮑勃·科克肖特表示：“在物理學(xué)上還不存在能干擾這種（新）設(shè)備的方法。”這種定位技術(shù)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(diǎn)。
此外，美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室打造了一個(gè)鈦金屬外殼、牛油果大小的真空設(shè)備，將來在電單車、飛機(jī)上配備這樣的設(shè)備，可以無需依賴GPS系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)定位和導(dǎo)航，即可安全定位自己的所在位置。過去一年來，該項(xiàng)目的研究組一直在觀察這套設(shè)備的運(yùn)行情況。
未來量子定位技術(shù)能否取代GPS？
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)模型。新華社記者林善傳攝
目前，仍需要進(jìn)行以下準(zhǔn)備工作，比如：首先要構(gòu)建完整的體系框架。量子定位和導(dǎo)航技術(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)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(yīng)包括量子糾纏準(zhǔn)備方案、衛(wèi)星基線對(duì)的設(shè)置、角反射器、HOM干涉儀、構(gòu)象計(jì)數(shù)器、抗噪聲儀措施、多用戶協(xié)議等。
其次要維護(hù)量子信號(hào)的糾纏狀態(tài)。量子定位技術(shù)可能需要長距離傳輸量子信號(hào)，而以目前的技術(shù)進(jìn)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(shù)要與經(jīng)典定位技術(shù)的融合。衛(wèi)星定位、慣性導(dǎo)航等技術(shù)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(shí)間。
現(xiàn)階段，沒有任何技術(shù)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(shù)與經(jīng)典定位技術(shù)將在很長一段時(shí)間內(nèi)并存，量子定位技術(shù)能否取代GPS還有待時(shí)日。
來源：科普時(shí)報(bào)
作者：陳思進(jìn)（加拿大某國際財(cái)團(tuán)風(fēng)險(xiǎn)管理資深顧問，科幻作家）
編輯：吳桐
審核：王飛
終審：陳磊
