量子羅盤：“單挑”衛(wèi)星定位系統(tǒng)

▲ 量子羅盤以其優(yōu)于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的特征，受到對(duì)安全有絕對(duì)要求的領(lǐng)域的關(guān)注。 （資料圖片）

▲ 我國(guó)的原子鐘技術(shù)居于世界前沿，標(biāo)志著我國(guó)在冷原子方面的研究具備較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，而這也是量子羅盤的基礎(chǔ)技術(shù)。（資料圖片）

▼ 潛艇是量子羅盤最重要的用戶，衛(wèi)星定位系統(tǒng)在水下的局限，也使得量子羅盤優(yōu)勢(shì)盡顯。 （資料圖片）

歷經(jīng)87個(gè)日日夜夜、航行19271海里，第一次參加“環(huán)太平洋”演習(xí)的中國(guó)海軍艦艇編隊(duì)勝利返回軍港。軍演中，各國(guó)艦艇、戰(zhàn)斗機(jī)與潛艇展開了激烈的攻防演習(xí)，神出鬼沒的“深海精靈”潛艇作為潛海作戰(zhàn)的主角，引起了軍事愛好者的關(guān)注。

對(duì)于潛艇來(lái)說(shuō)，定位至關(guān)重要，量子羅盤可以幫潛艇告別衛(wèi)星定位，又可以提高導(dǎo)彈的精度。那么，究竟什么是“量子羅盤”？我國(guó)量子羅盤研制的狀況如何？此外，它還有哪些價(jià)值？專家、學(xué)者將給出答案。

名詞解釋：

所謂量子羅盤，也可以叫做量子定位系統(tǒng)，是導(dǎo)航定位的一種新技術(shù)。它是利用冷原子對(duì)于外力和加速度變化的敏感性，構(gòu)建起原子干涉儀，通過(guò)精確的實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)所感受到的加速度，計(jì)算出系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的路徑，從而達(dá)到導(dǎo)航定位的目的，屬于慣性導(dǎo)航定位的方法之一。由于量子加速度計(jì)可以感受到極其微小的引力變化以及加速度的變化，所以可以非常精確地計(jì)算出物體在各個(gè)時(shí)刻所處的具體位置。

國(guó)內(nèi)研究“強(qiáng)”在哪

開創(chuàng)顛覆性歷史的量子羅盤，將以其自身獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)多姿風(fēng)采。目前，英國(guó)國(guó)防部正投資數(shù)百萬(wàn)英鎊于量子羅盤。此外，多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家的戰(zhàn)略規(guī)劃相關(guān)部門均表示要著手開發(fā)可以替代衛(wèi)星定位系統(tǒng)的量子羅盤。

據(jù)英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》防務(wù)與安全記者薩姆·瓊斯的相關(guān)報(bào)道，英國(guó)正在建造陸基天線陣列，以作為GPS的備用系統(tǒng)；韓國(guó)也在建造類似天線陣列。英國(guó)國(guó)防科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室科技與創(chuàng)新主管尼爾·斯坦斯菲爾德曾對(duì)媒體表示：“我們這方面的技術(shù)在英國(guó)是最先進(jìn)的。我個(gè)人的猜測(cè)是，第一臺(tái)原型機(jī)3到5年內(nèi)就能成型。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵在于要開發(fā)的是一種不依賴于天基的設(shè)備。這種設(shè)備在軍事上有一系列用途。”

在陳帥看來(lái)，目前我國(guó)尚未對(duì)量子羅盤開展系統(tǒng)性的研究和技術(shù)攻關(guān)，但是在基本的原理性研究和技術(shù)儲(chǔ)備方面，還是有相當(dāng)基礎(chǔ)的。量子羅盤涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要有：冷原子和超冷原子的制備技術(shù)，精密的激光鎖相技術(shù)，原子干涉儀技術(shù)等等。

“目前，國(guó)內(nèi)有一些單位和部分專家，如浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)等在原子干涉儀、引力測(cè)量方面都有積累，近期也有不錯(cuò)的成果出現(xiàn)。”陳帥表示：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)導(dǎo)的量子物理和量子信息研究團(tuán)隊(duì)在激光技術(shù)、超冷原子以及原子—光子干涉儀的技術(shù)方面，近年來(lái)取得了一系列國(guó)際水平標(biāo)準(zhǔn)的成果。

“我國(guó)目前已具備研制量子羅盤的基本技術(shù)，一旦在此方面進(jìn)行系統(tǒng)性的研究和技術(shù)攻關(guān)，應(yīng)該能在可以預(yù)期的時(shí)間內(nèi)達(dá)到英國(guó)人所宣稱的水平。”陳帥認(rèn)為。

而在劉伍明看來(lái)，目前冷原子研究工作已經(jīng)在我國(guó)多所大學(xué)及研究所開展，國(guó)內(nèi)的技術(shù)正逐步趕超國(guó)外。他向記者舉例，上海光機(jī)所量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室已于2002年實(shí)現(xiàn)了玻色—愛因斯坦凝聚（BEC，Bose-Einstein Condensation）這一冷原子領(lǐng)域的標(biāo)志性實(shí)驗(yàn)，此后，山西大學(xué)、中科院物理所等單位也相繼實(shí)現(xiàn)了BEC實(shí)驗(yàn)。小型化芯片級(jí)的BEC實(shí)驗(yàn)也于2008年首次成功后至今不斷向前發(fā)展。

今年8月，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制的NIM5銫原子噴泉鐘，2000萬(wàn)年不差一秒，成為國(guó)際計(jì)量局認(rèn)可的基準(zhǔn)鐘之一，我國(guó)成為第八個(gè)獲國(guó)際計(jì)量局認(rèn)可參與駕馭國(guó)際原子時(shí)的國(guó)家。“在冷原子時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)方面，我國(guó)的原子鐘技術(shù)是走在國(guó)際前沿的。”劉伍明舉例。

“我國(guó)目前的困難是，面對(duì)這個(gè)需要多學(xué)科尖端技術(shù)合作的領(lǐng)域，關(guān)于如何協(xié)調(diào)并有效提高合作效率的問(wèn)題。”李海容坦言，各家冷原子單位的技術(shù)問(wèn)題還停留在一定范圍內(nèi)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，仍然無(wú)法體現(xiàn)出未來(lái)量子科技領(lǐng)域廣泛的高科技合作趨勢(shì)。

量子羅盤“神”在哪

如果說(shuō)指南針是人類探索地球磁場(chǎng)的最早發(fā)明，那么量子羅盤無(wú)疑是完全不同于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的全新領(lǐng)航專家。

眾所周知，美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的“伽利略”以及我國(guó)的“北斗”，并稱為全球四大定位系統(tǒng)。“不過(guò)，這些系統(tǒng)都是基于衛(wèi)星的全球定位系統(tǒng)。要精確地確定一個(gè)物體所處的位置，至少要接收到4顆衛(wèi)星傳來(lái)的電磁信號(hào)。如果在地下或者水下這類無(wú)法接收到電磁波信號(hào)的地方，四大定位系統(tǒng)就無(wú)能為力了。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室教授陳帥告訴記者，量子羅盤所區(qū)別于GPS等四大定位系統(tǒng)之處，就在于它不需要實(shí)時(shí)接收外界的電磁定位信號(hào)，而是通過(guò)自身所感受到的加速度的變化來(lái)確定運(yùn)行路徑，非常適合于在地下或水下等無(wú)法接收到電磁信號(hào)的地方工作，尤其適合潛艇的導(dǎo)航和定位。

“GPS技術(shù)受到許多限制，由于它依賴于發(fā)射到空中的衛(wèi)星，一方面其容量有限，另一方面是易受攻擊。”中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員劉伍明表示，與GPS不同，量子羅盤最顯著的特點(diǎn)就是在物理上是極難被外界的干擾所破壞。量子羅盤將不再需要衛(wèi)星以及無(wú)線電發(fā)射塔等類固定參考點(diǎn)，特別是在水下GPS無(wú)法工作的情況下，意味著當(dāng)潛艇終于浮出水面便于使用GPS定位時(shí)，極有可能已經(jīng)航行偏差很大了。倘若應(yīng)用量子羅盤則可以將這個(gè)偏差降低近三個(gè)數(shù)量級(jí)，量子羅盤一天累計(jì)導(dǎo)航誤差僅為3英尺大小。

在北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院李海容博士看來(lái)，量子羅盤利用了激光冷卻原子這一2007年諾貝爾獎(jiǎng)的成功發(fā)現(xiàn)，它的核心要素是“原子的冷卻”，原子越冷精度越高。量子羅盤的主要攻破技術(shù)包括：超冷原子的俘獲及控制技術(shù)，高精度激光產(chǎn)生及傳輸控制技術(shù)，此外，還有如小型化的芯片技術(shù)、優(yōu)化的光纖技術(shù)、低溫超導(dǎo)屏蔽技術(shù)等等，研制成功先進(jìn)的量子TNS儀器是一個(gè)集多學(xué)科、高尖端技術(shù)為一體的重要目標(biāo)。

定位格局“變”在哪

2400多年前，在長(zhǎng)達(dá)27年的伯羅奔尼撒戰(zhàn)爭(zhēng)中，雅典情報(bào)專員從波斯帝國(guó)帶回一條雜亂無(wú)章的腰帶，當(dāng)它呈螺旋形狀纏繞在劍鞘上時(shí)，一串串文字開始逐漸顯現(xiàn)；在古代中國(guó)，先人在信封上用火漆封口，一旦運(yùn)輸途中信封拆開，“泄密”的痕跡便會(huì)展露無(wú)遺……

時(shí)至今日，量子研究是一個(gè)十分重要的科學(xué)領(lǐng)域，未來(lái)國(guó)際上關(guān)于量子羅盤的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)愈來(lái)愈激烈，量子羅盤將向更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

“據(jù)相關(guān)報(bào)告顯示，英國(guó)預(yù)計(jì)幾年內(nèi)完成原型機(jī)，此后會(huì)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行小型化。”李海容預(yù)計(jì)，在不久的將來(lái)，手機(jī)等一切目前依賴于GPS的定位系統(tǒng)都可以被量子羅盤替代。“人類將駕駛內(nèi)部導(dǎo)航而不是外部導(dǎo)航的私家車，與此同時(shí)，社會(huì)上流傳的有關(guān)GPS定位侵犯隱私的爭(zhēng)論也將因量子羅盤的廣泛使用而銷聲匿跡。”李海容補(bǔ)充說(shuō)。

劉伍明告訴記者，在軍事領(lǐng)域，量子羅盤的率先使用將導(dǎo)致未來(lái)軍事格局的巨大變革，各種潛艇、戰(zhàn)斗機(jī)等應(yīng)用量子羅盤導(dǎo)航現(xiàn)代高、精、尖武器將更為精準(zhǔn)，單兵也將可以攜帶自己的導(dǎo)航儀。值得關(guān)注的是，這些導(dǎo)航設(shè)備工具將非常穩(wěn)定，除非將來(lái)的某一天反重力設(shè)備研發(fā)成功。

“在商業(yè)層面，不論是民用的飛機(jī)、火車、汽車，還是包括手機(jī)、平板電腦在內(nèi)的小型化機(jī)械設(shè)備，最終都可以使用上量子羅盤。”李海容進(jìn)一步表示，量子羅盤將全面取代GPS，并預(yù)計(jì)將帶給全世界10多億美元的市場(chǎng)交易。

其實(shí)，量子羅盤是一個(gè)極具科普色彩的專有科技名詞，而羅盤原指司南即“地磁場(chǎng)方向計(jì)”，在現(xiàn)代科技中被擴(kuò)展成系統(tǒng)的定位導(dǎo)航儀器。不過(guò)，量子羅盤并不是“無(wú)所不能”。劉伍明坦言，即便廣泛使用量子羅盤技術(shù)，也并不意味著可以完全放棄GPS等定位系統(tǒng)。在從GPS到量子羅盤的過(guò)渡過(guò)程中，將會(huì)有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。“量子羅盤將僅僅起到比原有慣性儀器更精確的導(dǎo)航儀器的作用，只是比利用GPS定位校準(zhǔn)的時(shí)間間隔得到大大延長(zhǎng)。”李海容坦言。

不難想象，量子羅盤將在提供可靠的安全服務(wù)和精準(zhǔn)的安全保障方面大有可為。（經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)）