文/陈思进

一年多前，中国最高领导人集体学习了量子科技，并明确指出，当今世界正经历百年未遇之大变局，科技创新是其中一个关键变量，尤其提到要充分认识推动量子科技的发展，加强量子科技发展的战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋。

之前我曾经用三个篇幅，漫谈了量子计算、量子通信等有关量子科技的文章，提及在量子通信方面中国已位于世界前列，特别是北斗卫星导航系统，绝对不输Global Positioning System（GPS，美国的全球卫星定位系统）。不过，现在全世界大量的设备都依赖卫星定位系统来定位和导航，而卫星定位系统的信号有时会被阻塞或是被劫持，这对于军事用途来说不够安全。

在这篇文章中，我将从无需GPS卫星的量子定位切入，漫谈一下量子技术实现新型定位导航等，因为，美国、英国等先进国家已把量子定位逐步应用于战场上了，知己知彼，方能百战百胜！

什么是量子定位呢？

量子定位系统（Quantum Positioning System, QPS）的概念最早始于2001年，由美国麻省理工学院（MIT）电子学研究实验室从事博士后研究的Giovannetti Vittorio（乔瓦内蒂·维托里奥）博士、Mac-cone Lorenzo （洛伦佐）博士，以及与从事量子计算和量子通信研究的机械工程学教授 Lloyd Seth（劳埃·德赛斯）一起，在他们共同发表的一篇名为《Quantum-Enhanced Positioning and Clock Synchronization（量子增强定位和时钟同步）》的文章中提出的。

自MIT（麻省理工）提出脉冲式量子定位以来，作为导航系统中重要的定位、授时功能的体现，基于量子纠缠及量子压缩特性的光子脉冲测距和测时等相关研究，不断地被媒体报道。

2002年，维托里奥博士在提出 QPS 概念的同时，设计并验证了基于量子时钟同步消色散（Conveyor belt clock synchronization）方案，证明在光量子可能传播的一般条件下，时钟的同步性不受分散介质存在的干扰，提高了量子定位的精度。

众所周知，卫星导航通过向在轨卫星发射电磁波脉冲，并检测信号到达接收机的时间延迟来实现定位的方式，导致了伪距误差。这与卫星导航采用的电磁波信号不同，QPS的测距信号是具有量子特性的脉冲信号，这种信号是由没有电荷和质量的光子所组成。通过量子理论与量子力学，光量子具有奇特的量子纠缠和量子压缩的特性。

当前，主要的两种量子导航定位系统有星基量子导航系统和量子惯性导航系统。一类由于和传统卫星导航类似，需要发射信号来实现用户的四维坐标的定位，所不同的QPS采用的是相干关联的量子信号，依然属于有源定位系统；而另一种基于量子惯性器件实现导航的量子定位系统，与传统惯性导航系统类似，是靠着自身的惯性器件，来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，属于无源定位系统。

其中，量子罗盘，原名为Quantum Compass（量子指南针），一种新型导航技术。这种不会受到数据窜改和信号干扰影响的全球定位设备，可谓导航技术的“圣杯”，通过把一些离子囚禁于过冷状态，并减少外部电波造成的影响，使被囚禁离子仅仅对地球产生的电磁扰动敏感，再通过测量地球产生的电磁扰动对这些离子的影响，科学家便能以极高精度，跟踪含有被俘离子芯片的运动状况。

让我们再举英国防务科技实验所为例，他们已开发出小到3英尺（约合91厘米）见方的量子定位系统。英国国家物理实验室的鲍勃·科克肖特表示：“据我们所知，在物理学上还不存在能干扰这种（新）设备的方法”。这种定位技术也将不需要卫星，也不再需要无线电发射塔这类固定的参考点。目前，全球军方对这种新技术都十分感兴趣，因为广泛使用的天基导航系统存在着种种限制。

此外，美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）打造了一个钛金属外壳、及牛油果那么大的真空设备。将来的电单车、飞机上配备这样的设备，可以无需依赖GPS系统而实现定位和导航，即可安全定位自己的所在位置，安全性会更好。过去一年来，该项目的研究组都在观察这套设备的运行情况。

最后在谈一下，量子定位技术能否取代GPS？

目前，仍需要进行以下准备工作：

1、构建完整的体系框架。目前，量子定位和导航技术还在停留于实验室阶段，不具备完整的系统框架。理论上，完整的系统框架应包括量子纠缠准备方案、卫星基线对的设置、角反射器、HOM（HONG-OU-MANDEL）干涉仪、构象计数器、抗噪声仪措施、多用户协议等；

2、维护量子信号的纠缠状态。量子定位技术可能需要长距离传输量子信号，而以目前的技术进展，量子纠缠距离、连贯性和稳定性都存在一定的局限性；

3、量子定位技术与经典定位技术的融合。卫星定位、惯性导航等技术经历较长发展过程已较为成熟，而量子定位系统的发展需要一定的时间。

现阶段，没有任何技术能够提供类似于GPS等卫星定位系统的精度和全天候、全地域工作能力，并在使用成本上与GPS相提并论。

总之，量子定位技术与经典定位技术将在很长一段时间内并存，量子定位技术能否取代GPS还有待时日。

2022年05月01日写于多伦多安大略湖畔

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