吳德偉， 苗 強(qiáng)， 何思璇， 任釗恒， 魏天麗

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院， 西安， 710077)

導(dǎo)航系統(tǒng)主要為運(yùn)行體提供精確的時(shí)空信息。初期，利用目視推算等方法，出現(xiàn)了磁羅盤等導(dǎo)航裝置。20世紀(jì)20年代出現(xiàn)了無(wú)線電羅盤等導(dǎo)航設(shè)備。第二次世界大戰(zhàn)前后，儀表著陸系統(tǒng)、羅蘭C等無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)相繼問(wèn)世，1964年子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成，此后建成了GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)向著智能化、自主化、組合化方向發(fā)展；導(dǎo)航體制不斷更新，出現(xiàn)了新一代地形輔助、天文導(dǎo)航等自主導(dǎo)航系統(tǒng)。迄今為止，所有獲得廣泛應(yīng)用的導(dǎo)航技術(shù)體制無(wú)一例外均基于經(jīng)典信息的產(chǎn)生、傳輸和探測(cè)理論與技術(shù)，使得導(dǎo)航參量的量測(cè)精度始終受限于標(biāo)準(zhǔn)量子噪聲極限制約[1]。

此外，隨著對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴性不斷加強(qiáng)，導(dǎo)航系統(tǒng)的安全性、可靠性問(wèn)題也成為必須重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。而量子技術(shù)的興起，無(wú)疑將新的機(jī)遇帶給了導(dǎo)航系統(tǒng)，量子傳感改變了傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)中導(dǎo)航傳感器的感知方式。此外，量子力學(xué)中的非經(jīng)典特性，可以實(shí)現(xiàn)保密性和抗欺騙干擾。事實(shí)上，利用量子傳感器實(shí)現(xiàn)量子導(dǎo)航成為了未來(lái)導(dǎo)航發(fā)展的新趨勢(shì)[2]，量子導(dǎo)航領(lǐng)域已然成為量子傳感技術(shù)的主試驗(yàn)場(chǎng)。

1 量子傳感技術(shù)概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，測(cè)量和探測(cè)在生產(chǎn)生活中占據(jù)著非常重要的地位，提高傳感器精度是人們一直致力追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)方法上一種是提高測(cè)量所用“尺子”的分辨率，另一種是通過(guò)多次測(cè)量減小誤差，理論上精度可以達(dá)到經(jīng)典力學(xué)框架下的標(biāo)準(zhǔn)量子噪聲極限[3]。

現(xiàn)代研究表明，基于量子特性的傳感方式可以實(shí)現(xiàn)突破標(biāo)準(zhǔn)量子噪聲極限的高精度測(cè)量[4]。量子傳感器是以量子力學(xué)為指導(dǎo)，以量子系統(tǒng)作為傳感介質(zhì)，利用量子效應(yīng)設(shè)計(jì)的傳感器件。量子傳感原理圖如圖1所示。

圖1 量子傳感的理論框架圖

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的主要實(shí)驗(yàn)體系可分為以下4種：①冷原子傳感器；②金剛石NV色心傳感器；③SQUID超導(dǎo)量子干涉器；④無(wú)線量子傳感器。各種類又可以進(jìn)一步劃分為不同形式的裝置，如圖2所示。

圖2 發(fā)展中的量子傳感器

量子傳感具有超高的靈敏度和超高的精度，其應(yīng)用已涉及勘察測(cè)繪和導(dǎo)航定位等多個(gè)領(lǐng)域[5]。這里主要綜述導(dǎo)航應(yīng)用中的量子傳感技術(shù)。

2 導(dǎo)航應(yīng)用中的量子傳感

傳感器作為一種探測(cè)和測(cè)量裝置，其功能就是敏感被測(cè)信息并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其他形式的信號(hào)輸出。量子導(dǎo)航應(yīng)用中研究較多的實(shí)驗(yàn)體系主要有原子、超導(dǎo)和光子等量子系統(tǒng)。從傳感器信息獲取方式的角度對(duì)現(xiàn)有導(dǎo)航傳感器歸類，可分為有源導(dǎo)航傳感器和無(wú)源導(dǎo)航傳感器。下表列出了量子傳感器的導(dǎo)航應(yīng)用情況。

表1 量子傳感器的導(dǎo)航應(yīng)用

2.1 無(wú)源量子傳感器

2.1.1 原子鐘

原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時(shí)產(chǎn)生的電磁波的頻率來(lái)計(jì)算時(shí)間的。原子鐘發(fā)展過(guò)程如圖3所示。目前，最先進(jìn)的光鐘不確定度和穩(wěn)定度最高可以達(dá)到10-19量級(jí)，其中美國(guó)JILA的Sr光鐘不穩(wěn)定度已經(jīng)可以達(dá)到2×10-18[6]。NIST的Yb光鐘的不確定度和穩(wěn)定度分別達(dá)到了1.4×10-18和3.2×10-19[7]。而近年來(lái)研制的量子邏輯鐘不確定度指標(biāo)最高達(dá)到了9.4×10-19[8]。

圖3 原子鐘發(fā)展

我國(guó)的原子鐘研究開(kāi)始于20世紀(jì)60年代。目前，武漢物理與數(shù)學(xué)研究所已成功制造出Ca離子光鐘，時(shí)鐘不確定度降低到2.2×10-17[9]。

2.1.2 原子陀螺

陀螺儀的發(fā)展主要經(jīng)歷了機(jī)電式、光學(xué)式和目前正在探索的原子式以及量子增強(qiáng)式光學(xué)陀螺。根據(jù)原理不同，原子陀螺可以分為原子干涉陀螺儀、SERF原子自旋陀螺儀、核磁共振陀螺儀三種。

2.1.2.1 原子干涉陀螺儀

原子干涉陀螺儀原理如圖4所示。

圖4 原子干涉陀螺原理

2.1.2.2 SERF原子自旋陀螺儀

SERF原子自旋陀螺儀利用極化的堿金屬原子和惰性氣體原子自旋保持定軸來(lái)敏感角速度，如圖5所示。

圖5 SERF陀螺原理

2.1.2.3 核磁共振陀螺儀

美國(guó)Northrop Grumman公司2014年首次研制出微型封裝核磁共振陀螺儀[21]，原理如圖6所示。2018年，該公司又提出一種新型鐵氧體磁屏蔽內(nèi)層結(jié)構(gòu)。

圖6 核磁共振陀螺原理

2.1.3 量子增強(qiáng)光學(xué)陀螺

光學(xué)陀螺是基于Sagnac效應(yīng)的慣性量測(cè)元件，其工作物質(zhì)為光波。Bertocchi小組于2006年首次實(shí)現(xiàn)了量子光學(xué)Sagnac效應(yīng)，如圖7所示。

圖7 Bertocchi小組單光子Sagnac干涉實(shí)驗(yàn)原理圖[23]

2007年Kolkiran小組在理論上研究了利用糾纏光子增強(qiáng)Sagnac效應(yīng)，如圖8所示。

圖8 Kolkiran小組所提方案原理圖[24]

2013年，上海交通大學(xué)提出利用雙模壓縮相干光來(lái)增強(qiáng)Sagnac效應(yīng)[25]。2017年，空軍工程大學(xué)提出將相干態(tài)和Fock態(tài)注入光纖陀螺增強(qiáng)Sagnac效應(yīng)，研究利用奇偶測(cè)量實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)的最優(yōu)測(cè)量，當(dāng)Fock態(tài)的平均光子數(shù)N遠(yuǎn)小于相干態(tài)時(shí)，其陀螺精度提高了(1+2N)倍[26]。然而該方案無(wú)法在旋轉(zhuǎn)角為零時(shí)獲得最佳靈敏度，為此提出了基于壓縮真空光的增強(qiáng)方案[27-28]，將單模壓縮光與相干光分別注入陀螺，并采用平衡零拍探測(cè)消除了本地振蕩器的所有技術(shù)噪聲和經(jīng)典噪聲，其相位靈敏度能提高er倍，其中er為壓縮態(tài)的壓縮強(qiáng)度。

2.1.4 原子加速度計(jì)

原子加速度計(jì)是利用冷原子干涉效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中敏感垂直方向重力的原子加速度計(jì)也叫做原子重力儀或重力梯度儀。原子重力儀的原理如圖9所示，原子經(jīng)過(guò)磁光阱冷卻之后，使原子自由下落或呈噴泉向上拋出，通過(guò)在縱向上作用拉曼激光脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)原子干涉。干涉的相位結(jié)果包含重力信息，體現(xiàn)在原子內(nèi)態(tài)布居數(shù)，其關(guān)系表現(xiàn)為P2=(1-cos(keffgT2))/2。通過(guò)內(nèi)態(tài)探測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)重力加速度的測(cè)量。

圖9 原子重力儀原理圖

2.1.5 量子磁力儀

地磁導(dǎo)航是通過(guò)地磁傳感器測(cè)得的方向做指示，或?qū)崟r(shí)獲得地磁數(shù)據(jù)，與計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的地磁基準(zhǔn)圖匹配定位來(lái)實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航技術(shù)，具有無(wú)源、無(wú)輻射、全天時(shí)、全地域、全天候、能耗低等優(yōu)良特征。高性能的弱磁性探測(cè)技術(shù)是地磁導(dǎo)航的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.1.5.1 超導(dǎo)量子干涉磁力儀

超導(dǎo)量子干涉磁力儀(Superconductor Quantum Interference Device，SQID)是將磁通基于超導(dǎo)約瑟夫效應(yīng)和磁通量子化現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為電壓的磁通傳感器，具有可以檢測(cè)非常微弱的磁場(chǎng)并且精度很高的優(yōu)點(diǎn)。超導(dǎo)量子干涉磁力儀是一對(duì)由超導(dǎo)材料制作的閉合環(huán)和環(huán)中間的一個(gè)很薄的絕緣隧道結(jié)(稱為約瑟夫森結(jié))組成的[36]，如圖10所示。

圖10 超導(dǎo)量子干涉磁力儀原理圖

布賴恩·戴維·約瑟夫森在1962年預(yù)測(cè)了約瑟夫森效應(yīng)，由此基礎(chǔ)上發(fā)展出超導(dǎo)量子干涉磁力儀，主要有兩種類型，即直流超導(dǎo)量子干涉磁力儀(DC SQUID)和射頻超導(dǎo)量子干涉磁力儀(RF SQUID)[37]。1964年，Jaklevic等提出了雙Josephson結(jié)量子干涉模型[38]。1987年Koch和Nakane首先制造出了高溫直流超導(dǎo)量子干涉磁力儀。在這之后，德國(guó)GFZ利用SQUID進(jìn)行了地面電磁法的相關(guān)試驗(yàn)工作。三軸SQUID磁力儀被美國(guó)特瑞斯坦技術(shù)公司開(kāi)發(fā)出來(lái)[39]。在國(guó)內(nèi)，北京大學(xué)物理系和中國(guó)科學(xué)院物理研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)了高溫超導(dǎo)磁力儀[40]。

2.1.5.2 光泵磁力儀

光泵磁力儀(Optically Pumped Magnetometer,OPM)是一種高精度和高靈敏度的磁測(cè)儀器。其工作原理是原子能級(jí)在磁場(chǎng)中因塞曼效應(yīng)產(chǎn)生劈裂，此時(shí)對(duì)原子進(jìn)行光泵浦，原子在電磁波作用下發(fā)生光磁共振效應(yīng)，待測(cè)磁場(chǎng)大小可以根據(jù)所加電磁波頻率計(jì)算得出，如圖11所示。

圖11 光泵磁力儀原理圖

光泵磁力儀種類很多，可按照測(cè)量參數(shù)不同，可分為分量磁力儀、梯度磁力儀等；按敏感物質(zhì)的原子種類不同，分為堿金屬光泵磁力儀和氮(He)光泵磁力儀；按技術(shù)設(shè)計(jì)方案的不同，可分為跟蹤式光泵磁力儀和自激式光泵磁力儀等。

2.1.5.3 CPT磁力儀

光學(xué)鏡片、激光器、原子氣室和光電探測(cè)器構(gòu)成CPT磁力儀的傳感器部分[41]，圖12展示了CPT磁力儀傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖12 CPT磁力儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 有源量子傳感器

量子有源傳感器是通過(guò)接收外部人工制造信號(hào)，以被測(cè)物理量對(duì)環(huán)境空間表征進(jìn)行探測(cè)的傳感器。

2.2.1 光子探測(cè)器

單光子探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光的最小單元光子的探測(cè)，可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)，極大地提高了光譜測(cè)量的靈敏性和精度。2001年由美國(guó)麻省理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室的V.Giovannetti研究團(tuán)隊(duì)提出了一種利用量子糾纏和壓縮特性的定位方式[45]，理想化結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 理想化實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖

近年來(lái)隨著超導(dǎo)電路量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)及腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的不斷成熟，基于此的微波單光子探測(cè)器研究也不斷深入，目前已衍生出兩種較為成熟的微波單光子探測(cè)技術(shù)，即基于電流偏置約瑟夫森結(jié)的腔光子探測(cè)技術(shù)和基于超導(dǎo)人工原子的傳輸線單光子探測(cè)技術(shù)[48]。

2007年，Romero設(shè)計(jì)了一種基于電流偏置的約瑟夫森結(jié)實(shí)現(xiàn)微波腔光子探測(cè)的方案，如圖14所示[49]。2020年，Peropadre將電流偏置約瑟夫森結(jié)耦合到微波傳輸線，理論上探測(cè)效率可達(dá)100%[50]。2014年，F(xiàn)lurin等利用約瑟夫森環(huán)形調(diào)制器實(shí)現(xiàn)3D微波超導(dǎo)腔與傳輸線的耦合，并實(shí)現(xiàn)了微波光子的捕獲、存儲(chǔ)和讀取，其效率達(dá)80%[51]。2019年，同組的Peronnin實(shí)現(xiàn)了對(duì)Transmon量子比特的連續(xù)測(cè)量。2020年，該小組在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了微波光子計(jì)數(shù)器，可同時(shí)分辨三個(gè)光子，其探測(cè)效率為96%[52]。

圖14 基于電流偏置約瑟夫森結(jié)的微波腔光子探測(cè)模型[51]

2.2.2 腔光力學(xué)微腔

腔電光力轉(zhuǎn)換器(Electro-Opto-Mechanical，EOM)是一種雙模、跨頻段的廣義腔光力系統(tǒng)，將一個(gè)納米機(jī)械振子同時(shí)作為光學(xué)諧振腔的可移動(dòng)腔鏡和微波諧振腔中可移動(dòng)電容極板，在光力作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)于微波光子-機(jī)械振動(dòng)聲子-光波光子之間的有效耦合。在微納EOM轉(zhuǎn)換器中，單個(gè)微波光子-機(jī)械振動(dòng)聲子-光波光子可以實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)耦合，意味著微納EOM轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)精確、高效的頻率轉(zhuǎn)換和態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)而將微波單光子、糾纏微波信號(hào)一一對(duì)應(yīng)地轉(zhuǎn)移到器件和技術(shù)成熟高效的光波頻段進(jìn)行探測(cè)，提高探測(cè)效率，同時(shí)可以大幅降低成本和縮短研制時(shí)間。當(dāng)控制機(jī)械振子工作于機(jī)械暗態(tài)時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)絕熱轉(zhuǎn)移，達(dá)到對(duì)噪聲的強(qiáng)力抑制，這些優(yōu)勢(shì)使得EOM轉(zhuǎn)換器十分適合作為糾纏微波信號(hào)、微波單光子的探測(cè)器。

圖15 各種不同質(zhì)量和機(jī)械振動(dòng)頻率的腔光力系統(tǒng)

2.2.3 HOM干涉儀

HOM干涉最早是1987年Mandel小組在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的，該小組利用參量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的糾纏光子對(duì)實(shí)現(xiàn)了雙光子干涉，圖16為HOM干涉原理圖。

圖16 HOM干涉儀原理圖

2004年，美國(guó)軍隊(duì)研究實(shí)驗(yàn)室(ARL)Bahder等人提出了一種利用糾纏光子對(duì)二階量子相干的量子定位系統(tǒng)(QPS)具體方案[78]。

國(guó)內(nèi)空軍工程大學(xué)楊春燕等人基于Thomas B.Bahder博士提出的干涉式QPS的星座布置方案，研究了QPS位置精度因子(PDOP)的相關(guān)影響因素[79]。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的叢爽等人對(duì)基于3顆衛(wèi)星的星基量子定位系統(tǒng)的測(cè)距與定位過(guò)程進(jìn)行了深入研究并提出相關(guān)方案[80]，重點(diǎn)研究了ATP中的精跟蹤系統(tǒng)[81,82]，通過(guò)研究量子糾纏光符合計(jì)數(shù)與到達(dá)時(shí)間差，對(duì)符合門寬、采集時(shí)間和延時(shí)增加步長(zhǎng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化[83]。

3 量子導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展展望

研究表明，已經(jīng)可以利用量子傳感器實(shí)現(xiàn)時(shí)間、加速度、重力和磁場(chǎng)等精密測(cè)量，但對(duì)于量子傳感的導(dǎo)航應(yīng)用來(lái)說(shuō)，仍然存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

1)量子導(dǎo)航缺少完整的系統(tǒng)體制研究。目前量子導(dǎo)航的相關(guān)研究主要是從傳感器層面進(jìn)行的，很少有完整系統(tǒng)的相關(guān)報(bào)道。比如量子慣性導(dǎo)航還不能做到陀螺和加速度計(jì)的集成，實(shí)現(xiàn)量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的全慣性參數(shù)測(cè)量。

2)如何實(shí)現(xiàn)量子導(dǎo)航的組合導(dǎo)航方式。由于單一導(dǎo)航系統(tǒng)存在一定的局限性，為滿足高可靠性、全地域、全天時(shí)、全天候?qū)Ш揭?，組合導(dǎo)航技術(shù)成為了必然的趨勢(shì)，而量子導(dǎo)航也必然要作為其中的一種導(dǎo)航方式，與其他傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行組合。

3)量子傳感器的工作條件苛刻。部分超導(dǎo)量子傳感器工作條件需要大體積的制冷設(shè)備，儀器體積和功耗偏大，急需開(kāi)展高溫超導(dǎo)材料或可替代量子傳感器的研究工作。

目前已經(jīng)有研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始探索量子導(dǎo)航與傳統(tǒng)導(dǎo)航傳感器的集成。國(guó)外Canciani研究了冷原子干涉慣性導(dǎo)航與傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及GPS系統(tǒng)的組合方式[84]。Cheiney等提出了一種量子加速度計(jì)和經(jīng)典加速度計(jì)組合方案[85]。