量子羅盤問世，未來導(dǎo)航不靠GPS？

　　在古代，中國的風水先生們首先發(fā)明了羅盤。

　　羅盤后來傳入了西方，恩格斯在《機器、自然力和科學的應(yīng)用》一書中寫道：“羅盤(指南針)打開了世界市場并建立了殖民地?！?/p>

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

　　幾百年過去了……

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

　　這個由西方人發(fā)明的“量子羅盤”看起來在未來的導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中具有巨大的價值。

　　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。

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

　　三種不同的導(dǎo)航原理

　　導(dǎo)航設(shè)備一般可以分為三類：慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航與天文導(dǎo)航。

　　慣性導(dǎo)航比較傳統(tǒng)，一開始出現(xiàn)在第二次世界大戰(zhàn)期間，那時候德國的導(dǎo)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(dǎo)彈里安裝有慣性導(dǎo)航的設(shè)備——那時候還沒有衛(wèi)星導(dǎo)航這個技術(shù)。慣性導(dǎo)航的設(shè)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(dǎo)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(yīng)用于導(dǎo)彈的慣性導(dǎo)航后來被用到飛機與潛艇等設(shè)備中。但慣性導(dǎo)航很少用到汽車里，在全球定位系統(tǒng)建成之前，家用汽車是沒有導(dǎo)航的，那時候的人開汽車去陌生地方很容易走錯路。

　　衛(wèi)星導(dǎo)航主要依靠天上的人造地球衛(wèi)星給地面上的運動物體導(dǎo)航。最著名的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國的全球定位系統(tǒng)與中國的北斗系統(tǒng)等。在天上的四顆衛(wèi)星可以定出地面上運動物體的(X，Y，Z，T)四個時空坐標，這就能實現(xiàn)定位導(dǎo)航。但衛(wèi)星導(dǎo)航有一個缺點——這需要電磁波的傳遞，在深海里的潛艇無法接受到空間的電磁波，因此接受衛(wèi)星導(dǎo)航信號。

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

　　量子羅盤屬于慣性導(dǎo)航

　　那么，量子羅盤屬于上面所說的三種導(dǎo)航原理中的哪一種呢?

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

　　量子羅盤是一款慣性導(dǎo)航產(chǎn)品。

　　那么，這款量子羅盤是怎么工作的呢?其量子性又體現(xiàn)在什么地方?

　　據(jù)報道，這款量子羅盤能測量極低溫度(接近絕對零度，也就是零下273度)下超冷原子的運動。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獎，隨后出任美國能源部部長。

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

　　有了超冷原子，如何才能實現(xiàn)導(dǎo)航呢?

　　按照慣性導(dǎo)航的原理，我們需要知道系統(tǒng)的加速度，然后才可以對加速度做間積分得到速度，再對速度求時間積分得到位置信息，因此測出加速度信息是關(guān)鍵。據(jù)中國科學技術(shù)大學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加速度的信息，從而實現(xiàn)慣性導(dǎo)航。而且這個量子羅盤的導(dǎo)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數(shù)量級。

　　量子羅盤會取代衛(wèi)星導(dǎo)航嗎?

　　最近幾十年來，衛(wèi)星導(dǎo)航已經(jīng)成為最重要的社會基礎(chǔ)設(shè)施之一。對于私家車主來說，離開了導(dǎo)航系統(tǒng)，很多人都不知道怎么開車了。中國的北斗系統(tǒng)與美國的GPS全球定位系統(tǒng)，都構(gòu)成了巨大的產(chǎn)業(yè)鏈，但這些導(dǎo)航系統(tǒng)依賴于衛(wèi)星信號。這也給未來的發(fā)展留下了隱患，尤其是在戰(zhàn)爭期間，一旦衛(wèi)星系統(tǒng)被摧毀，那么全球各地的導(dǎo)航信號都將消失。

　　因此，很明顯，首先從軍事上來說，量子羅盤具有現(xiàn)實意義。因為量子羅盤不需要衛(wèi)星信號，它依靠自身的冷原子干涉就可以實現(xiàn)自主導(dǎo)航，這在軍事上的價值巨大。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，電磁波無法在深海里傳播，所以在海底，依靠衛(wèi)星導(dǎo)航是不可能的，量子羅盤可以在核潛艇中使用。

　　因此，從軍事意義上來說，我們國家除了要發(fā)展北斗系統(tǒng)等導(dǎo)航設(shè)備，也需要關(guān)注量子羅盤等新一代慣性導(dǎo)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，量子羅盤作為一種新興事物，暫時還不會影響現(xiàn)在的民用導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)格局。因為目前的量子羅盤還處于實驗研發(fā)階段，從公開資料來看，量子羅盤的體積很大(體積超過了1立方米)，而且需要用到真空設(shè)備與激光設(shè)備，造價昂貴(至少價值上千萬人民幣)，這在民用上普及還不可能。要想在民用市場上普及，必須做到小型化以及低成本化，這在短期內(nèi)是無法做到的。

　　所以，量子羅盤問世，在短期內(nèi)不會取代GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備的市場地位。

　　中國導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)界應(yīng)重視量子羅盤這個“黑科技”

　　目前，我們國家的導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)主要是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2017年我國衛(wèi)星導(dǎo)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(tǒng)進入全球組網(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(wèi)星，年底前還將發(fā)射兩顆組網(wǎng)衛(wèi)星，服務(wù)“一帶一路”沿線國家和地區(qū)。這說明中國的北斗系統(tǒng)已經(jīng)有了很大的成就。

　　《2018中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》預(yù)計，到2020年北斗應(yīng)用在交通運輸、和智慧城市建設(shè)等細分市場的規(guī)模有望超過2萬億元。

　　雖然北斗衛(wèi)星導(dǎo)航是我們國家導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的主旋律之一，但我們還需要一些新的導(dǎo)航方法，尤其是不能放棄慣性導(dǎo)航這種傳統(tǒng)的導(dǎo)航方法。目前依然有不少企業(yè)在慣性導(dǎo)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，可為用戶提供從單一器件到配套產(chǎn)品直至整個系統(tǒng)的解決方案。

　　而在慣性導(dǎo)航方面，量子羅盤是一個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)資源的探測等多個領(lǐng)域，這些領(lǐng)域雖然不是直接與導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)相關(guān)，但都有巨大的產(chǎn)業(yè)價值。

　　重視量子羅盤的發(fā)展，在適當?shù)臅r候把它引入到中國的導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中來，是所有有前瞻性眼光的企業(yè)都應(yīng)該努力去做的事情。

　　也許在未來，人類進入了太空時代，那時候肯定不能再用衛(wèi)星導(dǎo)航，量子羅盤這種慣性導(dǎo)航將成為未來時代的主要導(dǎo)航手段。

　　未來社會是一個量子的社會，順勢而為必將有所作為。量子羅盤，值得我們從現(xiàn)在開始就去關(guān)注它!