量子羅盤(pán)問(wèn)世，未來(lái)導航不靠GPS？

　　在古代，中國的風(fēng)水先生們首先發(fā)明了羅盤(pán)。

　　羅盤(pán)后來(lái)傳入了西方，恩格斯在《機器、自然力和科學(xué)的應用》一書(shū)中寫(xiě)道：“羅盤(pán)(指南針)打開(kāi)了世界市場(chǎng)并建立了殖民地?！?/p>

　　古代中國人的這項發(fā)明被西方人應用于大航海時(shí)代，對地理大發(fā)現以及資本主義興起起到了推動(dòng)作用。

　　幾百年過(guò)去了……

　　2018年11月，英國帝國理工學(xué)院研究人員和M Squared公司攜手，研制出全球首款用于導航的量子加速度計，這款導航設備被稱(chēng)為“量子羅盤(pán)”。它是不依賴(lài)全球定位衛星(GPS)的防干擾導航裝置。

　　這個(gè)由西方人發(fā)明的“量子羅盤(pán)”看起來(lái)在未來(lái)的導航產(chǎn)業(yè)中具有巨大的價(jià)值。

　　這年頭，只要與“量子”掛鉤的技術(shù)都顯得十分高大上，比如不久前還有人提出了“量子針灸”等概念。但是，并不是所有的“量子技術(shù)”都是真正的科學(xué)。

　　這款“量子羅盤(pán)”到底是不是真的高科技呢?它的基本原理是什么?未來(lái)的導航還需要用GPS嗎?

　　三種不同的導航原理

　　導航設備一般可以分為三類(lèi)：慣性導航、衛星導航與天文導航。

　　慣性導航比較傳統，一開(kāi)始出現在第二次世界大戰期間，那時(shí)候德國的導彈能從德國發(fā)射后很精確地飛到英國倫敦上空。這主要就是因為導彈里安裝有慣性導航的設備——那時(shí)候還沒(méi)有衛星導航這個(gè)技術(shù)。慣性導航的設備主要由加速度傳感器與陀螺儀組成。加速度傳感器可以定出飛行器(導彈等)在空中相對于自身固連慣性參考系的加速度。而陀螺儀則可以定出飛行器自身固連慣性參考系與地面參考系之間的變換矩陣。

　　這種應用于導彈的慣性導航后來(lái)被用到飛機與潛艇等設備中。但慣性導航很少用到汽車(chē)里，在全球定位系統建成之前，家用汽車(chē)是沒(méi)有導航的，那時(shí)候的人開(kāi)汽車(chē)去陌生地方很容易走錯路。

　　衛星導航主要依靠天上的人造地球衛星給地面上的運動(dòng)物體導航。最著(zhù)名的衛星導航系統有美國的全球定位系統與中國的北斗系統等。在天上的四顆衛星可以定出地面上運動(dòng)物體的(X，Y，Z，T)四個(gè)時(shí)空坐標，這就能實(shí)現定位導航。但衛星導航有一個(gè)缺點(diǎn)——這需要電磁波的傳遞，在深海里的潛艇無(wú)法接受到空間的電磁波，因此接受衛星導航信號。

　　天文導航則是一個(gè)既古老又現代的概念。中國古人就用北斗七星中的北極星來(lái)導航，這就是一種古老的天文導航思想。在科幻小說(shuō)《三體》中，作者這寫(xiě)到了利用恒星之間的距離關(guān)系來(lái)導航的思想。在現實(shí)中，最近中國的航天五院有一些科學(xué)家提出了利用宇宙空間的脈沖星來(lái)進(jìn)行導航的思想——不過(guò)脈沖星導航也許在地球上的飛行器飛出太陽(yáng)系之后才有實(shí)際用處。天文導航是未來(lái)星際旅行時(shí)代的導航發(fā)展方向。

　　量子羅盤(pán)屬于慣性導航

　　那么，量子羅盤(pán)屬于上面所說(shuō)的三種導航原理中的哪一種呢?

　　英國帝國理工學(xué)院研究人員和M Squared公司研制的這款“量子羅盤(pán)”能確定地球上任何地方的精確位置，它不依賴(lài)外部衛星導航信息，所以不屬于衛星導航;這個(gè)設備也不需要北極星或者脈沖星的參與，因此也與天文導航無(wú)關(guān)。

　　量子羅盤(pán)是一款慣性導航產(chǎn)品。

　　那么，這款量子羅盤(pán)是怎么工作的呢?其量子性又體現在什么地方?

　　據報道，這款量子羅盤(pán)能測量極低溫度(接近絕對零度，也就是零下273度)下超冷原子的運動(dòng)。制備超冷原子的基本技術(shù)之一是用激光致冷原子，這是華人物理學(xué)家朱棣文等人發(fā)明的方法，朱棣文還因此得到諾貝爾物理學(xué)獎，隨后出任美國能源部部長(cháng)。

　　因此，要實(shí)現原子的超冷狀態(tài)，需要用一種定制的激光器來(lái)操縱和控制原子。這種激光器正是由總部位于格拉斯哥的M Squared公司花了近三年時(shí)間才研制出來(lái)。

　　有了超冷原子，如何才能實(shí)現導航呢?

　　按照慣性導航的原理，我們需要知道系統的加速度，然后才可以對加速度做間積分得到速度，再對速度求時(shí)間積分得到位置信息，因此測出加速度信息是關(guān)鍵。據中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員張文卓向我們介紹， 冷原子的物質(zhì)波干涉可以測出這個(gè)加速度的信息，從而實(shí)現慣性導航。而且這個(gè)量子羅盤(pán)的導航精度非常高，比目前依靠經(jīng)典電路的加速度傳感器的精度要高幾個(gè)數量級。

　　量子羅盤(pán)會(huì )取代衛星導航嗎?

　　最近幾十年來(lái)，衛星導航已經(jīng)成為最重要的社會(huì )基礎設施之一。對于私家車(chē)主來(lái)說(shuō)，離開(kāi)了導航系統，很多人都不知道怎么開(kāi)車(chē)了。中國的北斗系統與美國的GPS全球定位系統，都構成了巨大的產(chǎn)業(yè)鏈，但這些導航系統依賴(lài)于衛星信號。這也給未來(lái)的發(fā)展留下了隱患，尤其是在戰爭期間，一旦衛星系統被摧毀，那么全球各地的導航信號都將消失。

　　因此，很明顯，首先從軍事上來(lái)說(shuō)，量子羅盤(pán)具有現實(shí)意義。因為量子羅盤(pán)不需要衛星信號，它依靠自身的冷原子干涉就可以實(shí)現自主導航，這在軍事上的價(jià)值巨大。比如在深海中，核潛艇需要在很深的海底航行，海水與空氣不同，電磁波無(wú)法在深海里傳播，所以在海底，依靠衛星導航是不可能的，量子羅盤(pán)可以在核潛艇中使用。

　　因此，從軍事意義上來(lái)說(shuō)，我們國家除了要發(fā)展北斗系統等導航設備，也需要關(guān)注量子羅盤(pán)等新一代慣性導航技術(shù)的發(fā)展，這對國家安全至關(guān)重要。

　　除了軍事意義，量子羅盤(pán)作為一種新興事物，暫時(shí)還不會(huì )影響現在的民用導航產(chǎn)業(yè)格局。因為目前的量子羅盤(pán)還處于實(shí)驗研發(fā)階段，從公開(kāi)資料來(lái)看，量子羅盤(pán)的體積很大(體積超過(guò)了1立方米)，而且需要用到真空設備與激光設備，造價(jià)昂貴(至少價(jià)值上千萬(wàn)人民幣)，這在民用上普及還不可能。要想在民用市場(chǎng)上普及，必須做到小型化以及低成本化，這在短期內是無(wú)法做到的。

　　所以，量子羅盤(pán)問(wèn)世，在短期內不會(huì )取代GPS等衛星導航設備的市場(chǎng)地位。

　　中國導航產(chǎn)業(yè)界應重視量子羅盤(pán)這個(gè)“黑科技”

　　目前，我們國家的導航產(chǎn)業(yè)主要是北斗衛星導航系統，2017年我國衛星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值已達到2550億元。2018年，北斗系統進(jìn)入全球組網(wǎng)密集發(fā)射期，目前已成功發(fā)射17顆北斗三號組網(wǎng)衛星，年底前還將發(fā)射兩顆組網(wǎng)衛星，服務(wù)“一帶一路”沿線(xiàn)國家和地區。這說(shuō)明中國的北斗系統已經(jīng)有了很大的成就。

　　《2018中國衛星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》預計，到2020年北斗應用在交通運輸、和智慧城市建設等細分市場(chǎng)的規模有望超過(guò)2萬(wàn)億元。

　　雖然北斗衛星導航是我們國家導航產(chǎn)業(yè)的主旋律之一，但我們還需要一些新的導航方法，尤其是不能放棄慣性導航這種傳統的導航方法。目前依然有不少企業(yè)在慣性導航上做技術(shù)攻關(guān)，比如星網(wǎng)宇達就是一家致力于慣性技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技公司，可為用戶(hù)提供從單一器件到配套產(chǎn)品直至整個(gè)系統的解決方案。

　　而在慣性導航方面，量子羅盤(pán)是一個(gè)值得跟蹤的研究方向，因為其定位精度極高，而且冷原子的干涉技術(shù)可以用到引力地圖的測量、礦產(chǎn)資源的探測等多個(gè)領(lǐng)域，這些領(lǐng)域雖然不是直接與導航產(chǎn)業(yè)相關(guān)，但都有巨大的產(chǎn)業(yè)價(jià)值。

　　重視量子羅盤(pán)的發(fā)展，在適當的時(shí)候把它引入到中國的導航產(chǎn)業(yè)中來(lái)，是所有有前瞻性眼光的企業(yè)都應該努力去做的事情。

　　也許在未來(lái)，人類(lèi)進(jìn)入了太空時(shí)代，那時(shí)候肯定不能再用衛星導航，量子羅盤(pán)這種慣性導航將成為未來(lái)時(shí)代的主要導航手段。

　　未來(lái)社會(huì )是一個(gè)量子的社會(huì )，順勢而為必將有所作為。量子羅盤(pán)，值得我們從現在開(kāi)始就去關(guān)注它!