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，受到對安全有絕對要求的領(lǐng)域的關(guān)注。 （資料圖片）

▲ 我國的原子鐘技術(shù)居于世界前沿，標(biāo)志著我國在冷原子方面的研究具備較強優(yōu)勢，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)勢盡顯。 （資料圖片）

歷經(jīng)87個日日夜夜、航行19271海里，第一次參加“環(huán)太平洋”演習(xí)的中國海軍艦艇編隊勝利返回軍港。軍演中，各國艦艇、戰(zhàn)斗機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。

對于潛艇來說，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”？我國量子羅盤研制的狀況如何？此外，它還有哪些價值？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)。它是利用冷原子對于外力和加速度變化的敏感性，構(gòu)建起原子干涉儀，通過精確的實時探測系統(tǒng)所感受到的加速度，計算出系統(tǒng)運動的路徑，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算出物體在各個時刻所處的具體位置。

國內(nèi)研究“強”在哪

開創(chuàng)顛覆性歷史的量子羅盤，將以其自身獨到的技術(shù)優(yōu)勢展現(xiàn)多姿風(fēng)采。目前，英國國防部正投資數(shù)百萬英鎊于量子羅盤。此外，多個發(fā)達(dá)國家的戰(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《金融時報》防務(wù)與安全記者薩姆·瓊斯的相關(guān)報道，英國正在建造陸基天線陣列，以作為GPS的備用系統(tǒng)；韓國也在建造類似天線陣列。英國國防科學(xué)與技術(shù)實驗室科技與創(chuàng)新主管尼爾·斯坦斯菲爾德曾對媒體表示：“我們這方面的技術(shù)在英國是最先進(jìn)的。我個人的猜測是，第一臺原型機3到5年內(nèi)就能成型。對我們來說，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，目前我國尚未對量子羅盤開展系統(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、引力測量方面都有積累，近期也有不錯的成果出現(xiàn)。”陳帥表示：中國科學(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，近年來取得了一系列國際水平標(biāo)準(zhǔn)的成果。

“我國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)期的時間內(nèi)達(dá)到英國人所宣稱的水平。”陳帥認(rèn)為。

而在劉伍明看來，目前冷原子研究工作已經(jīng)在我國多所大學(xué)及研究所開展，國內(nèi)的技術(shù)正逐步趕超國外。他向記者舉例，上海光機所量子光學(xué)實驗室已于2002年實現(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)志性實驗，此后，山西大學(xué)、中科院物理所等單位也相繼實現(xiàn)了BEC實驗。小型化芯片級的BEC實驗也于2008年首次成功后至今不斷向前發(fā)展。

今年8月，中國計量科學(xué)研究院研制的NIM5銫原子噴泉鐘，2000萬年不差一秒，成為國際計量局認(rèn)可的基準(zhǔn)鐘之一，我國成為第八個獲國際計量局認(rèn)可參與駕馭國際原子時的國家。“在冷原子時間頻率標(biāo)準(zhǔn)方面，我國的原子鐘技術(shù)是走在國際前沿的。”劉伍明舉例。

“我國目前的困難是，面對這個需要多學(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題。”李海容坦言，各家冷原子單位的技術(shù)問題還停留在一定范圍內(nèi)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，仍然無法體現(xiàn)出未來量子科技領(lǐng)域廣泛的高科技合作趨勢。

量子羅盤“神”在哪

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

眾所周知，美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的“伽利略”以及我國的“北斗”，并稱為全球四大定位系統(tǒng)。“不過，這些系統(tǒng)都是基于衛(wèi)星的全球定位系統(tǒng)。要精確地確定一個物體所處的位置，至少要接收到4顆衛(wèi)星傳來的電磁信號。如果在地下或者水下這類無法接收到電磁波信號的地方，四大定位系統(tǒng)就無能為力了。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗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，就在于它不需要實時接收外界的電磁定位信號，而是通過自身所感受到的加速度的變化來確定運行路徑，非常適合于在地下或水下等無法接收到電磁信號的地方工作，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)星以及無線電發(fā)射塔等類固定參考點，特別是在水下GPS無法工作的情況下，意味著當(dāng)潛艇終于浮出水面便于使用GPS定位時，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偏差降低近三個數(shù)量級，量子羅盤一天累計導(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，量子羅盤利用了激光冷卻原子這一2007年諾貝爾獎的成功發(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，在長達(dá)27年的伯羅奔尼撒戰(zhàn)爭中，雅典情報專員從波斯帝國帶回一條雜亂無章的腰帶，當(dāng)它呈螺旋形狀纏繞在劍鞘上時，一串串文字開始逐漸顯現(xiàn)；在古代中國，先人在信封上用火漆封口，一旦運輸途中信封拆開，“泄密”的痕跡便會展露無遺……

時至今日，量子研究是一個十分重要的科學(xué)領(lǐng)域，未來國際上關(guān)于量子羅盤的競爭將會愈來愈激烈，量子羅盤將向更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

“據(jù)相關(guān)報告顯示，英國預(yù)計幾年內(nèi)完成原型機，此后會在此基礎(chǔ)上進(jìn)行小型化。”李海容預(yù)計，在不久的將來，手機等一切目前依賴于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，社會上流傳的有關(guān)GPS定位侵犯隱私的爭論也將因量子羅盤的廣泛使用而銷聲匿跡。”李海容補充說。

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)致未來軍事格局的巨大變革，各種潛艇、戰(zhàn)斗機等應(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、火車、汽車，還是包括手機、平板電腦在內(nèi)的小型化機械設(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)計將帶給全世界10多億美元的市場交易。

其實，量子羅盤是一個極具科普色彩的專有科技名詞，而羅盤原指司南即“地磁場方向計”，在現(xiàn)代科技中被擴展成系統(tǒng)的定位導(dǎo)航儀器。不過，量子羅盤并不是“無所不能”。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到量子羅盤的過渡過程中，將會有相當(dāng)長的一段時間。“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)的時間間隔得到大大延長。”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)日報）