[技术前沿]量子导航在新的试验中起飞

英国的一架短途飞机最近成为了第一个测试精细量子技术的机载平台，这可能会开创一个后GPS世界——在这个世界里，基于卫星的导航（无论是GPS、北斗、伽利略还是其他）放弃了其作为可信赖导航工具的独特地位。现在的问题是，这个量子导航需要多长时间才能真正实现呢？

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但是，正如其支持者所体提到的那样，这项技术近在眼前了吗？还是像怀疑论者所说的那样，需要等到2030年或还要更久的时间。不过，只要该技术能够扩大规模，潜在的民用应用将是巨大的。

总部位于科罗拉多州博尔德市的Infleption公司负责战略计划的副总裁Max Perez表示：“第一个应用程序，或者说非常有价值的应用程序将是自动航运。随着我们缩小这些系统的规模，它们将开始能够解决其他领域的问题，例如自动采矿，以及GPS或被削弱的其他工业环境。然后，最终，最大的应用将是通用的个人自动驾驶汽车，无论是地面还是空中的。”

Infleption及其英国合作伙伴正在测试的一个重大想法是，量子传感器所能提供的极端灵敏度是否值得权衡将此类技术小型化所需的所有昂贵套件，以便将其安装在飞机、船、航天器、汽车、卡车或火车上。

将Bose-Einstein Condensates（玻色-爱因斯坦凝聚态）转化为导航工具

Infleption技术的核心是一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC，的物质状态，它可以对加速度极其敏感。在没有外部GPS信号的情况下，能够密切记录其每次旋转和加速度的飞机就是能够推断其相对于最后已知位置的确切位置的飞机。

正如Perez所描述的那样——该公司尚未发表关于其最新里程碑式成就的论文——Infleption的便携式BEC设备占据了8到10个机架单元的空间。（一个机架单元表示标准服务器机架的宽度为48.3厘米，标准服务器机架深度为60-100厘米。）

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5月，该公司将其钻井平台搭载在一架英国航空航天146（BAe 146/Avro RJ100）技术演示机上。在实验台内，一组激光轰击一团小的过冷铷原子，在原子之间建立一个单一的量子态。这种冷原子陷阱的结果是在整个原子集合体中创造出超灵敏的量子条件，从而形成一个足够大的物质云，可以用标准的实验室设备进行操作。

利用量子波粒二象性，即物质的行为既像微小的台球，又像波包，工程师可以使用激光和磁场将BEC云分裂成两个或多个相干的物质波包。当后来重新组合时，研究了多个波包的干涉模式，以发现即使是最微小的加速度——比传统加速度计所能测量的更小——也能到达波包在三维空间中的位置。

这至少是理论上的想法。

真实世界条件混乱的时间表

在实践中，任何基于BEC的加速度计都需要至少与现有的传统加速度计技术的灵敏度相匹配。

Perez说：“世界上最好的惯性系统，基于环形激光陀螺仪或光纤陀螺仪，可以……在大约两周的任务中保持一海里的精度。这是标准。”

Perez补充道，Infleption设备只为在铷云中创建可操纵的BEC状态提供了原理证明，因此量子加速度计技术还没有一对一的比较。也就是说，他预计Infleption能够在一个月或更长的任务时间内保持相同的海里精度，或者相反，将一周任务的灵敏度提高到十分之一海里左右。

总部位于纽约市的市场研究公司Global Quantum Intelligence的首席内容官Doug Finke表示，该技术的最终应用空间是巨大的。

Finke说：“量子导航设备可能成为量子传感技术的杀手级应用。然而，在降低成本、尺寸和可靠性方面仍然存在许多挑战。但如果这项技术走上与计算类似的道路，从房间大小的大型机缩小到能放入口袋里，它可能会变得无处不在，甚至可能在本世纪晚些时候取代GPS。”

时间框架仍然是一个没有答案的问题。Finke说：“由于工程挑战仍有待解决，这还不会立即发生。这项技术可能还需要很多年才能成熟。”

弗吉尼亚州亚历山大市Resilient Navigation and Timing Foundation主席Dana Goward甚至大胆做出了预测。他说：“至少需要10到15年的时间，我们才能看到适用于广泛应用的东西。”

Perez提到，到2026年，Infleption将测试其实际加速度计技术的可靠性，而不仅仅是像5月份那样在中场建立BEC。Perez表示：“重点在于让技术更快地推出，而不是为了更苛刻的应用而提供更精确的技术。”

文章来源：IEEE电气电子工程师学会