简析量子定位技术及应用前景

许方星

摘 要：传统的卫星导航定位系统技术，其定位精度由于受限于电磁波脉冲的能量与带宽存在着一定的极限。随着量子力学的发展，利用具有量子纠缠特性的激光脉冲来取代电磁脉冲信号，可以实现趋近于物理极限的高定位精度，这就是量子定位技术。概述了量子定位的基本原理和特点优势的基础上，浅析了其关键技术及未来广阔应用前景。

关键词：量子定位 量子纠缠 Hong-Ou-Mandel干涉

中图分类号：TN918 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（a）-0007-02

Abstract：For the traditional satellite navigation and global positioning system， the positioning accuracy is limited by the energy and bandwidth of electromagnetic pulses. With the development of quantum mechanics， laser pulses are used to replace the electromagnetic pulse signal and realize a high positioning precision approximating the physical limits because of their quantum entanglement properties， which is named as“quantum positioning system”. To describe the basic principle and characteristics of the quantum positioning advantages， while its key technologies and the broad application prospect in the future are analyzed as well.

Key Words：Quantum Positioning；quantum entanglement；Hong-Ou-Mandel interference

卫星导航定位技术以天基人造卫星为基本平台，能够为全球海、陆、空、天各类军民用载体提供全天候、二十四小时连续不间断的高精度三维位置、速度和时间信息。目前技术成熟的卫星导航定位系统，包括美国的全球定位系统（Global Position System，GPS），欧洲导航定位卫星系统，我国的北斗导航系统，广泛应用于交通导航、卫星授时应用、应急指挥、民用水情测报服务等，发挥了非常重要的作用。

虽然GPS在导航定位领域获得了前所未有的成功，但仍然存在以下几个方面的问题。

（1）定位精度仍然不够高，系统体制仍存在着物理极限。因为GPS定位的原理是通过重复地向空间发射电磁波信号，检测电磁波到达待测点的时间延迟来实现的，这种以经典物理学为基础的方法受到所能实现的可利用功率及带宽的限制，其测量精度很难获得进一步的提高。此外，电磁波信号受到电离层和对流层的干扰，特别在城市、山区等复杂自然环境下，由于高层建筑、树木等对信号的影响，会导致信号的非直线传播，从而使得不同环境下的导航效果具有比较大的差异。

（2）保密性较差，美国斯坦福大学设立有一个专业实验室，主要截获并分析全球所有的卫星信号，华裔学者Grace Xingxin Gao在2008年的博士论文《Towards navigation based on 120 satellites： analyzing the new signals》，较为详细地阐述了卫星信号的跟踪与破译方法，虽然不能确信是否能够破译所有的伪随机码，但至少是可以部分破译的。

（3）抗干扰能力差，与其他传感器系统相比，GPS信号强度很弱，因此更加容易受到电磁干扰，使基于GPS的导航系统存在稳定性漏洞。

由于存在着这些缺陷，美国投入巨资完善并发展GPS系统。基于量子技术的量子定位系统（Quantum Positioning System， QPS）作为一种定位精度高、保密性能强的导航定位技术，就是其发展重点之一。量子定位的概念最先是由美国麻省理工学院研究人员于2001年提出，其与传统定位系统的本质区别在于所采用信号的不同。传统定位如GPS系统采用的是基于重复发送电磁波脉冲测量信号达到时间，通过计算得到距离信息，而量子定位系统采用的是具有量子特性的光子脉冲。利用光子的微观量子特性，如量子纠缠和量子压缩态，量子定位系统就能够超越经典测量中能量、带宽和精度的限制，精度可接近海森堡测不准原理所限定的物理极限。

1 量子定位技术的关键技术

1.1 量子定位系统的原理

量子定位技术利用具有量子特性的激光脉冲，取代传统GPS的微波信号来实现精确定位。区别于微波信号的长波长波束覆盖宽，激光的波长很短指向性很高，卫星与用户间的传统同步方法不再适用。因此量子定位系统的定位不应是取代现有GPS，而是与GPS相结合，实现安全高精度的定位目的。通过对量子定位技术原理的研究与优选，提出具有实用性的量子定位系统体系架构以及面向用户的应用模式，才能将量子定位系统推广应用。

量子定位系统由量子纠缠态光源、HOM干涉测量部分以及系统控制部分组成，其基本原理与关键特性如下。

（1）高性能量子纠缠态光源。在光与非线性晶体相互作用的过程中，能够产生一种非线性光学效应，这种效应一对低频率光子具有很强的量子纠缠、关联和非定域特性，可实现时间和空间上的高精度测量。作为光源，光子纠缠态的纠缠纯度、退相干时间对系统性能将产生巨大的影响。

（2）高稳定HOM干涉测量与处理。在量子力学的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉中，由于双光子的纠缠特性，干涉是不可区分的双光子整体态。当两个光子在时域上同时到达分束片上时，双光子态不可区分，此时干涉出现，两个探测器的计数出现强的反关联。反之，当我们改变一条链路中的延时，致使复合计数出现强的反关联时，即可知道此时两个光子在时域上不可区分。这正是利用HOM干涉实现量子定位系统的基本原理。

（3）高精度ATP与时间同步技术：在单组基线的系统中，需通过改变可控反射模块来实现基线与待测点r0之间建立稳定的光链路。二者的精确指向将影响到最终定位的精度，因此对反射模块的反射角度需要进行反馈控制。在利用参考光实现对于待测点ATP（获取、跟踪、瞄准）之后，定位过程将通过精密调整延时并观测探测器的复合计数来实现。

1.2 量子定位系统与量子保密通信的结合技术

原理上，量子定位系统与量子保密通信都是基于量子纠缠态的分发与后处理。因此，在同一套系统中实现两种功能具有可行性。研究在量子定位过程中引入量子保密通信的技术，实现对交互信息的保密处理，提高量子定位系统的安全性。两者相结合，能够充分发挥量子定位系统技术优势的方法，能有效提升量子定位的使用程度，是未来量子定位系统的一个应用方向。

1.3 大气、重力场环境的干扰校正技术

与GPS类似，为了实现宽覆盖、全天候工作，星载平台将是未来量子定位系统走向实用化的最佳平台。对于LEO低轨卫星等自由空间传输的星地链路而言，大气的损耗、湍流、散射，重力场对于授时的影响都是系统中必须考虑的因素，必须通过对环境的建模与仿真，分析对信息传输链路的影响，以实现量子定位系统的校正。

2 量子定位技术的发展前景

量子定位技术作为一种不同于传统GPS的新型精确定位技术，是量子光学和通信导航技术相融合的典范。这项技术的深入研究，能为下一代高精度导航系统提供量子水平的定位精度。特别是在以下两个方面。

（1）量子定位系统技术理论和工程实现将促进电子信息系统进入量子时代。

随着信息化社会的发展，未来将逐步进入量子的时代。在量子领域的实用化进程中，高性能、大规模的量子设备（如星地量子保密通信、量子计算处理芯片、高性能纠缠源）已逐步面世。这也为量子定位技术逐步实用化提供了良好的基础。

（2）量子定位系统与量子密码技术的结合是未来实用化的最佳途径。

目前量子密码是目前最具有实用性的量子技术。将量子定位系统与量子密码技术相结合，扩展研发系统的功能，改善系统的安全性与抗干扰性。这对于军用安全电子以及电子对抗装备意味着创新的实现。同时作为一种全新的交叉领域的产物，针对量子定位系统技术的深入研究和实际系统研制，将大力促进我国在量子领域、激光通信等相关学科的快速发展。

3 结语

最近二十年，GPS全球定位系统在军民应用领域都发挥了巨大的作用。无论从政治上还是军事上来讲，都不能没有独立的高水平的定位导航系统。基于量子效应的量子定位系统技术利用光子的微观量子特性，能够超越经典测量的瓶颈以达到更高的精度，是一项潜力巨大的新兴技术，并终将在高性能电子信息设备上大放异彩。