量子导航技术发展现状分析

2023-09-21毛悦孙中苗贾小林宋小勇蒋庆仙

全球定位系统 2023年4期

毛悦，孙中苗，贾小林，宋小勇，蒋庆仙

(1.地理信息工程国家重点实验室,西安 710054；2.西安测绘研究所,西安 710054)

0 引言

“量子”是表示某物质或物理量特性的最小单元，是能量的最小单位.原子、光子都是量子的一种.量子具有不确定性、不可克隆性、不可区分性，量子态叠加性和量子态纠缠性.随着量子特性被科学家不断挖掘，适用于实际应用的量子新枝术也被逐渐开拓出来.在量子信息科学中，目前主要的应用研究方向包括量子计算、量子通信、量子导航三大方向.本文以构建量子导航技术体系为目标，梳理量子应用技术的研究现状，并给出相关的发展建议.

量子导航是指基于量子特性的导航定位技术，即利用量子效应传感器，通过对电场或磁场的强度、频率、时间、相位等实际物理量进行估计，得到高于经典测量精度的位置时间信息.量子导航应用潜力巨大，按照测量介质不同，可分为光子或原子测量.与光子测量相比，原子具有极短波长，超低运动速度，大运动质量等特点，可测量更为微小的距离差，惯性拖曳效应更加明显，测量的物理特性更加宽广[1-2].按照技术手段不同，量子导航可分为基于测距体制的星基量子导航系统、基于角运动/线运动测量的量子惯性导航、基于量子重力测量的匹配导航等技术.量子测距定位技术理论上可突破传统测量精度极限，实现优于1 cm 的定位精度[3]；量子干涉陀螺仪理论精度比同等干涉面积下的光学陀螺仪高10 个数量级[4]；量子重力仪具备固有长程稳定性强、高灵敏度和可重复性等优势.

量子导航尚属前沿技术，目前星基量子导航技术处于概念研究阶段，成熟度最低；量子惯性导航技术处于实验室研制阶段，是最有望实现实际应用并发挥重大价值的导航技术；用于重力匹配导航的量子重力仪是目前成熟度最高的设备，已有可交付产品.目前，国内外对于量子导航传感技术的研究主要集中于量子陀螺仪和量子重力仪研究方面.

量子导航技术以其精度、安全性等方面的优势成为导航技术发展新热点.我国量子导航技术发展处于追赶超越阶段，如何在全面了解量子导航发展现状基础上，准确把握量子导航发展趋势，提出适合我国国情的发展建议是本文重点关注的问题.

1 发展现状

1.1 星基量子导航发展现状

星基量子导航技术是量子力学与卫星导航理论相结合的产物.2001年，美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)的Vittorio Giovannetti 博士最早提出了“量子导航定位系统”(quantum positioning system,QPS)的概念，并发表在《Nature》杂志中[5].在此基础上，2004 年美国陆军研究实验室(Army Research Laboratory,ARL)的Thomas B.Bahder 博士详细论述了基线干涉式星基量子导航系统的总体方案(简称干涉式QPS)[6].如图1所示，其实现方式与GNSS 卫星导航类似，由位置精确已知的六颗导航卫星(或低轨卫星)发射信号，构成三条测量基线对，三条导航卫星基线对尽可能垂直布设，以形成最优测量几何条件，用户位置分别位于三个双曲面上，根据前方交会原理，用户的位置即为三个双曲面的交点.

图1 星基量子导航示意图

在传统卫星导航中，导航信号为经过调制的无线电波，而在QPS中，测量载体为具有纠缠特性的光子对.在定位过程中，用户需要携带用来反射纠缠光子对的角反射器.在由2 颗卫星与用户构成的三角形闭合光路中，光源产生的双光子纠缠对分别向2 颗卫星发射，经过卫星折射发送到用户，2 颗卫星接收到用户反射的纠缠光子并发送到HOM (Hong-Ou-Mandel,HOM)干涉仪，利用HOM 干涉仪测量双光子纠缠源的二阶关联特性，得到两个光子经过不同路径的光程差，实现用户到2 颗卫星距离差测量.纠缠光子对采用微观特性，测量精度高，且因为没有采用周期信号，不存在卫星导航载波测量中的模糊度问题，解算更为便捷.2008年，Thomas B.Bahder 博士申请了专利 US7359064B1“Quantum positioning systems and methods”[7].2012年，Lopez-Mago 等利用迈克尔逊干涉仪对共线转换光子对的干扰进行完整实验分析，表明经过偏振分束器与带通滤波，相干长度可达3.3 µm.国内对量子星基定位系统定位原理、定位性能方面也开展了仿真分析[8-9].但迄今为止，QPS 的相关研究仍然停滞于理论研究阶段，目前没有关于地面半物理仿真实验的报道，更没有搭建任何系统性实验进行原理性验证.与现有的卫星导航系统相比，QPS 主要技术优势和特点如下[10]：

1)新型信号体制，提升了测距及定位精度

星基量子导航系统与传统卫星导航定位系统的本质区别在于采用的信号体制不同.传统定位系统基于无线电测距理论，采用重复发送的电磁波，通过测量信号到达时间，进而获得距离测量信息进行定位解算.根据海森堡测不准原理，对于发射功率和信号带宽受限的经典无线电导航体制，其在定位精度上有着不可逾越的上限[8].星基量子导航系统以量子测距理论替代原有的无线电测距理论，利用光子的微观量子特性，以纠缠和量子压缩为基础，突破经典无线电导航体制的定位精度上限，提供亚皮秒级的时间差估计，使得QPS 可以提供小于1 cm 的定位精度.

2)光子符合计数，降低了用户钟长稳需求

传统的卫星导航系统需要星载时钟的长期稳定性来保证定位精度，QPS 依靠光子符合计数器来测量时差，星载时钟仅需高精度短期稳定性[8].由于测距问题本质上是时间测量问题，光子到达时间准确度越高，时钟同步的时间分辨率越小，时钟同步精度越高.因此量子精密测距方法也为解决高精度时间同步问题提供了思路，规避了对高精度原子钟过高的技术需求.

3)量子信息传输，提供更高的保密安全性

量子具有不可克隆、不可分割，不可复制的特性.根据量子力学原理，微观粒子都是处于多个状态的叠加态，一旦对微观粒子进行测量，那么将破坏这种叠加态，微观粒子的状态也会随之发生改变.由于QPS 的信息载体是纠缠双光子，一旦卫星与用户接收机的通信信道受到第三方窃听，必然会干扰正常的信息传输，而这种异常状况很容易就能被通信双方所发现，因此，星基量子导航系统信息传输具有很高安全性[11].

分析QPS 发展停滞的原因，主要在于以下几个方面：

1)技术体制方面，QPS 的核心技术还未达到实用化阶段，限制了相关试验研究的开展.如量子信号的制备、量子操控技术、量子退相干控制技术、单光子探测器技术等，目前的研究水平还不能满足使用需求.

2)由于纠缠光子对经过空间传播时存在退相干问题，导致了干涉式量子精密测距的作用距离存在一定限制，目前尚未实现远距离量子纠缠测量技术突破.

3)工程实现方面，一个目标位置的确定，需要三条以上的量子基线对的支持，也就是需要6 颗导航卫星.导航卫星的位置要求精确已知，且为了实现干涉测量需要在卫星间实现通讯传输，由此造成了QPS在工程实现上的难度和代价较大.

1.2 量子惯性导航技术发展现状

量子惯性导航技术是以量子力学和Sagnac 效应为理论基础，使用符合薛定谔方程的原子或者其他粒子作为信息敏感体，敏感载体角运动与线运动参量，再进行导航解算，计算出载体的位置、航向、姿态等信息.原子陀螺/加速度计是量子惯性导航系统的核心传感器.如图2 所示，按照技术体制划分原子陀螺可以分为原子自旋陀螺(atomic spin gyroscope,ASG)和原子干涉陀螺(atomic interference gyroscope,AIG)两类.目前国内外优势发展方向主要集中于核磁共振(nuclear magnetic resonance gyrascope，NMRG)陀螺、无自旋交换弛豫(spin-exchange relaxation-free，SERF)陀螺和冷原子干涉陀螺领域.

图2 原子陀螺技术类别

NMRG 陀螺的主要优势在于其具有小体积和导航级的精度水平，理论零偏稳定性为10-4(°)/h，预期体积为厘米级，未来主要应用于水下无人潜航器、微小型智能平台、无人机群等小型化、轻质化应用领域[12].中国航天科工集团三院33 所、航天九院13 所、北京航空航天大学、国防科技大学、中国航空工业集团618所等单位研制的NMRG 陀螺零偏稳定性为0.1 (°)/h量级，与美国Northrop Gruman 公司同类产品相比，在性能上相差一个数量级.小型化NMRG 陀螺工程应用要达到体积与微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)类似，精度与光纤、激光陀螺类似的预期，还需要在缩减体积上下功夫[13].

SERF 陀螺具有静电陀螺仪的精度和光学陀螺仪的成本和体积，理论零偏稳定性为10-8(°)/h，体积为分米级，未来主要应用于舰船导航等[14].但目前SERF 陀螺存在受磁干扰影响较大，动态测量范围相对较小等技术问题.北京航空航天大学、航天九院13 所等单位研制的SERF 陀螺精度优于国外公开报道最好水平，目前零偏稳定性为10-3(°)/h.SERF 陀螺要达到战略级工程化应用还需重点解决抗干扰能力差，现阶段精度与光纤、激光陀螺相比优势尚不明显等问题.提升SERF 陀螺性能主要受限于低噪声磁材料，窄线宽激光器、高纯度原子源等技术的发展等[15].

AIG 理论极限零偏稳定性为10-10(°)/h，未来实现工程化后预计可以达到10-6～10-8(°)/h.与零偏稳定性在10-3～10-4(°)/h 量级的激光、光纤陀螺相比，AIG 在测量精度发展前景上具有显著的优势.未来主要应用于水面、水下舰艇、潜艇、深空飞行器等领域.但目前AIG 技术成熟度不高，存在体积大，动态测量范围不足等问题亟待解决.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、清华大学、中船重工717 所、航天九院13 所等单位研制的AIG 仪目前静态零偏稳定性为10-4(°)/h，体积为0.02 m2，重量70 kg，与法国巴黎天文台相比，其性能相差一个数量级.AIG 面向船用工程化还需重点突破数据采样率低，带宽量程小，实验室样机距离理论精度有差距等问题.

1.3 量子重力仪技术发展现状

量子重力仪是利用冷原子干涉技术精确测量重力加速度、重力梯度等重力场参数的设备，是原子干涉技术最成熟的应用领域.相比基于弹簧加速度计的相对重力仪，原子重力仪具备如下优点[16]：1)原子测量为微观测量，相比宏观质量量测方式，可避免仪器精度的提高受机械、制造等因素影响和限制，无机械磨损；2)既可测量相对重力值，也可测量绝对重力值，测量可重复性好，灵敏度高；3)零偏小，长期稳定性好；4)测量精度高.冷原子运动速度低，可以为精密测量提供充足的测量时间，另外物质波干涉测量方式可有效提升测量分辨率[17].目前原子重力仪除了固有长程稳定性好的优势外，其测量精度已经超过目前实际使用的基于加速度计的移动平台重力仪.这是原子干涉技术应用潜力的实际体现.除了重力仪，从原理上分析，重力梯度仪具有更强的抗载体运动干扰能力，能降低重力仪对隔振平台的要求，同样具有良好的研究和应用前景.

目前原子重力仪的研究可以分为两大方向：大型超高精度冷原子重力仪和小型化可移动冷原子重力仪.小型化重力测量设备多采用自由下落式测量方式.大型超高精度原子重力仪包括地面10 m 原子喷泉和空间原子加速度计.喷泉式重力仪虽然需要原子上抛过程，使重力仪设计更加复杂，但干涉时间是自由下落式的两倍，测量灵敏度更高，干涉区磁屏蔽也更容易实现[16,18-19].

目前我国量子重力仪已实现应用，目前有代表性的产品有三款：1)华中科技大学研制的微伽级量子重力仪，是我国首台开展行业应用的量子重力仪产品；2)华中科技大学研制的小型化毫伽级量子重力仪，可适用于野外测量；3)中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研制的冷原子重力仪工程样机，静态测量精度达到5 uGal，与国际最高精度水平相当.此外，计量院、浙江大学、国防科技大学、中船重工集团707、中船重工集团717 所、航天科技集团九院13 所、清华大学等单位也有相关工程样机.目前我国量子重力仪总体技术处于国际第一阵列，但重力梯度仪精度距离国际先进水平尚有差距，主要表现在：1)工程应用能力不足，美国已将原子干涉重力梯度仪应用于核潜艇的高精度导航中，将成为高精度组合导航的重要组成.国内研究成果还局限于民用领域，在军用高精度产品研制、平台及环境适应性改造等方面还有差距.2)一体化集成能力不高，目前我国产品在精度及体积的兼顾方面还有差距.高精度产品多采用分立式设计结构，小型化不足.3)创新性不足，我国在量子重力仪研制方面取得了一定突破，但技术路线创新性有待提高，部分核心器件国产化水平存在差距[20].

2 发展建议

美国在2006 年国防部“发展中的科学技术清单”、2010 年美军“技术地平线：美国空军2010—2030 科技愿景”、2013 年美军“全球地平线：美国空军全球科技愿景”、2013 年国防科学委员会“保持2030 年前优势的技术与创新”等多项发展规划和计划中明确强调了冷原子陀螺发展的重要性，并在其列出的30 项具有潜在发展前景的领域中，将冷原子陀螺列入具有最高优先权12 项技术之一.冷原子定位、导航与授时(positioning,navigation and timing,PNT)技术已成为可提升下一代导航定位核心能力，并能够在2030 年前投入使用的新兴技术，是后续PNT 发展中具有技术引领作用的核心重点研发领域[1].

综合以上发展现状及应用前景分析，我国在量子导航技术体系方面已经呈现出了多体制并行发展，以及与国外技术强国比肩赶超的发展态势，但也存在工程化产品技术成熟度还不足，许多技术瓶颈有待突破等问题.通过现状及问题分析，瞄准后续发展，提出建议如下：

1)我国在部分精密激光器件、微型化精密加工设备方面，关键设备依赖进口，核心技术受制于人.而精密机电设备制造技术发展需要长期技术积累，依靠自身产能和市场机制难以良性发展，建议从国家政策层面持续支持.

2)目前量子测量设备研发还主要集中在陀螺仪研制方面，具有完整导航定位功能的工程化产品相对较少.后续需要加强国内优势惯性导航系统研制单位之间技术合作，加速系统集成化和工程化.

3)拓展量子惯性导航器件在舰艇、机载、车载等多平台的测试实验，结合多场景应用掌握能力需求，摸清设备能力底线，结合需求推动应用技术发展.