开发量子传感器导航新场景

想象一下，潜艇可以重新定位并保持精确的航向，而无需暴露在水面上;飞机在天空中安全准确地翱翔，不受GPS信号中断的影响;应急人员在烟雾弥漫的建筑或地下通道中准确定位每一个生命迹象;无人驾驶汽车可以轻松地穿梭在钢铁丛林中...

澳大利亚对话网站近日报道，在方兴未艾的量子传感器技术的催化下，上述看似科幻的场景有望成为现实。量子传感器将开启新的导航时期，不仅可以引导人们的活动轨迹，还可以重构人与世界的连接模式，拓展人类对宇宙的探索。

强大而脆弱的卫星导航

全球定位系统(GPS)卫星导航系统已经深入现代生活，成为人们不可或缺的基础设施，维持着现代文明有序运行的神经脉络。它不仅为人们的日常旅行提供导航，还支持从金融投资到电力调度的关键领域。股票市场的毫秒交易依赖于卫星授时，巨大的电网系统也需要实现精确的平衡。在广阔的田野里，自动驾驶拖拉机沿着卫星指定的轨迹耕种;在牧场上，电子围栏通过定位信号聚集散养的牛羊;当困难发生时，每一条最优化的路径都被紧急车辆咆哮。

然而，卫星导航的弱点隐藏在这些便利的背后。由于战争、恐怖组织或隐私等问题，卫星信号可能会受到干扰。

更不可控的威胁来自不可预测的太空。周期性太阳飓风会向地球抛出大量带电粒子，当这些宇宙洪流冲击磁场时，卫星信号会像风中的蜡烛一样摇晃。虽然大多数干扰稍纵即逝，但强风暴可能会造成严重的破坏。

这种脆弱带来的代价远远超出了想象。研究表明，如果GPS信号在一天内出现故障，将给美国造成10亿美元的经济损失。更可怕的影响在于蝴蝶效应——当导航信号消失，从物流调度到灾害预警，许多相关系统会像多米诺骨牌一样不断倒塌，给人类的生命财产安全带来巨大损失。

此外，卫星导航信号无法渗透到水下或地下空间。在摩天大楼林立的城市，GPS信号有时会像无头苍蝇一样到处碰壁——谷歌地图上不确定的蓝点是当代人熟悉的“数字导航”的生动体现。

打破“数字迷航”困境

有些情况下，卫星导航信号不好，甚至难以达到，而量子传感器有望打破“数字迷航”的困境。

芬兰国家技术研究中心微电子和量子技术部负责人佩卡·伊科宁解释说，量子传感器是利用量子力学原理对微观世界进行测量和测量的新工具。它们利用量子叠加态和量子纠缠的特点，可以高度敏感地测量电流、电场、磁场、光和时间等物理特性，远远超出传统传感器的能力。

伊科宁说，量子传感器之所以如此敏感，是因为量子颗粒会对周围环境的微小变化采取行动。量子传感器非常擅长检测时间、重力或磁场等事物的微小变化。与可能错过微弱信号的一般传感器不同，这种灵敏度和准确性对于稳定的导航系统尤为重要。

澳大利亚斯威本科大学创新星球研究所、德国科技集团博世量子传感器公司等一些研究机构和企业正在开发新的量子传感器。这种传感器可以测量地球不变的磁场，因此不容易受到影响，因此可以在空中、路面和水下提供超精确的导航。

根据德国《世界报》网站早些时候的报道，博世量子传感器公司表示，在导航飞机时，这种传感器可以测量地球磁场，并引导飞机沿磁场飞行，因此不需要GPS信号。除了补充或替代GPS系统之外，地球南北两极的卫星信号覆盖率差也是这种传感器的立足点。

关键是微型化和降低成本

创新星球研究所的优势艾莉森·基利想象未来的导航系统将通过测量地球磁场和引力场来集成量子传感器，提高定位精度，利用量子陀螺仪精确指向，通过紧凑的原子钟和互联的计时系统实现卓越的计时。

量子导航蓝图令人向往，但量子传感器和量子计算一样，不可避免地面临着巨大的设计挑战。关键障碍包括降低量子传感器的尺寸和功率要求，提高受控实验室环境以外的量子传感器的稳定性，并将其集成到当前的导航系统中。

博世量子传感器公司首席执行官卡特琳·科贝表示，目前量子传感器的大小与智能手机相当。他们的目标是将其缩小到计算机芯片的大小。第一批商品预计将于20世纪30年代初上市。

成本是另一个障碍。目前，量子设备既昂贵又复杂，降低量子传感器的制造成本势在必行，这意味着它的广泛应用仍然需要几年时间。

若能克服这些挑战，量子导航将像量子力学一样，以细微而深刻的方式重塑人们的日常生活。