毛悅,孫中苗,賈小林,宋小勇,蔣慶仙
(1.地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710054;2.西安測(cè)繪研究所,西安 710054)
“量子”是表示某物質(zhì)或物理量特性的最小單元,是能量的最小單位.原子、光子都是量子的一種.量子具有不確定性、不可克隆性、不可區(qū)分性,量子態(tài)疊加性和量子態(tài)糾纏性.隨著量子特性被科學(xué)家不斷挖掘,適用于實(shí)際應(yīng)用的量子新枝術(shù)也被逐漸開拓出來.在量子信息科學(xué)中,目前主要的應(yīng)用研究方向包括量子計(jì)算、量子通信、量子導(dǎo)航三大方向.本文以構(gòu)建量子導(dǎo)航技術(shù)體系為目標(biāo),梳理量子應(yīng)用技術(shù)的研究現(xiàn)狀,并給出相關(guān)的發(fā)展建議.
量子導(dǎo)航是指基于量子特性的導(dǎo)航定位技術(shù),即利用量子效應(yīng)傳感器,通過對(duì)電場(chǎng)或磁場(chǎng)的強(qiáng)度、頻率、時(shí)間、相位等實(shí)際物理量進(jìn)行估計(jì),得到高于經(jīng)典測(cè)量精度的位置時(shí)間信息.量子導(dǎo)航應(yīng)用潛力巨大,按照測(cè)量介質(zhì)不同,可分為光子或原子測(cè)量.與光子測(cè)量相比,原子具有極短波長(zhǎng),超低運(yùn)動(dòng)速度,大運(yùn)動(dòng)質(zhì)量等特點(diǎn),可測(cè)量更為微小的距離差,慣性拖曳效應(yīng)更加明顯,測(cè)量的物理特性更加寬廣[1-2].按照技術(shù)手段不同,量子導(dǎo)航可分為基于測(cè)距體制的星基量子導(dǎo)航系統(tǒng)、基于角運(yùn)動(dòng)/線運(yùn)動(dòng)測(cè)量的量子慣性導(dǎo)航、基于量子重力測(cè)量的匹配導(dǎo)航等技術(shù).量子測(cè)距定位技術(shù)理論上可突破傳統(tǒng)測(cè)量精度極限,實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1 cm 的定位精度[3];量子干涉陀螺儀理論精度比同等干涉面積下的光學(xué)陀螺儀高10 個(gè)數(shù)量級(jí)[4];量子重力儀具備固有長(zhǎng)程穩(wěn)定性強(qiáng)、高靈敏度和可重復(fù)性等優(yōu)勢(shì).
量子導(dǎo)航尚屬前沿技術(shù),目前星基量子導(dǎo)航技術(shù)處于概念研究階段,成熟度最低;量子慣性導(dǎo)航技術(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研制階段,是最有望實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用并發(fā)揮重大價(jià)值的導(dǎo)航技術(shù);用于重力匹配導(dǎo)航的量子重力儀是目前成熟度最高的設(shè)備,已有可交付產(chǎn)品.目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于量子導(dǎo)航傳感技術(shù)的研究主要集中于量子陀螺儀和量子重力儀研究方面.
量子導(dǎo)航技術(shù)以其精度、安全性等方面的優(yōu)勢(shì)成為導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展新熱點(diǎn).我國(guó)量子導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展處于追趕超越階段,如何在全面了解量子導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,準(zhǔn)確把握量子導(dǎo)航發(fā)展趨勢(shì),提出適合我國(guó)國(guó)情的發(fā)展建議是本文重點(diǎn)關(guān)注的問題.
星基量子導(dǎo)航技術(shù)是量子力學(xué)與衛(wèi)星導(dǎo)航理論相結(jié)合的產(chǎn)物.2001年,美國(guó)麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)的Vittorio Giovannetti 博士最早提出了“量子導(dǎo)航定位系統(tǒng)”(quantum positioning system,QPS)的概念,并發(fā)表在《Nature》雜志中[5].在此基礎(chǔ)上,2004 年美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(Army Research Laboratory,ARL)的Thomas B.Bahder 博士詳細(xì)論述了基線干涉式星基量子導(dǎo)航系統(tǒng)的總體方案(簡(jiǎn)稱干涉式QPS)[6].如圖1所示,其實(shí)現(xiàn)方式與GNSS 衛(wèi)星導(dǎo)航類似,由位置精確已知的六顆導(dǎo)航衛(wèi)星(或低軌衛(wèi)星)發(fā)射信號(hào),構(gòu)成三條測(cè)量基線對(duì),三條導(dǎo)航衛(wèi)星基線對(duì)盡可能垂直布設(shè),以形成最優(yōu)測(cè)量幾何條件,用戶位置分別位于三個(gè)雙曲面上,根據(jù)前方交會(huì)原理,用戶的位置即為三個(gè)雙曲面的交點(diǎn).
圖1 星基量子導(dǎo)航示意圖
在傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航中,導(dǎo)航信號(hào)為經(jīng)過調(diào)制的無線電波,而在QPS中,測(cè)量載體為具有糾纏特性的光子對(duì).在定位過程中,用戶需要攜帶用來反射糾纏光子對(duì)的角反射器.在由2 顆衛(wèi)星與用戶構(gòu)成的三角形閉合光路中,光源產(chǎn)生的雙光子糾纏對(duì)分別向2 顆衛(wèi)星發(fā)射,經(jīng)過衛(wèi)星折射發(fā)送到用戶,2 顆衛(wèi)星接收到用戶反射的糾纏光子并發(fā)送到HOM (Hong-Ou-Mandel,HOM)干涉儀,利用HOM 干涉儀測(cè)量雙光子糾纏源的二階關(guān)聯(lián)特性,得到兩個(gè)光子經(jīng)過不同路徑的光程差,實(shí)現(xiàn)用戶到2 顆衛(wèi)星距離差測(cè)量.糾纏光子對(duì)采用微觀特性,測(cè)量精度高,且因?yàn)闆]有采用周期信號(hào),不存在衛(wèi)星導(dǎo)航載波測(cè)量中的模糊度問題,解算更為便捷.2008年,Thomas B.Bahder 博士申請(qǐng)了專利 US7359064B1“Quantum positioning systems and methods”[7].2012年,Lopez-Mago 等利用邁克爾遜干涉儀對(duì)共線轉(zhuǎn)換光子對(duì)的干擾進(jìn)行完整實(shí)驗(yàn)分析,表明經(jīng)過偏振分束器與帶通濾波,相干長(zhǎng)度可達(dá)3.3 μm.國(guó)內(nèi)對(duì)量子星基定位系統(tǒng)定位原理、定位性能方面也開展了仿真分析[8-9].但迄今為止,QPS 的相關(guān)研究仍然停滯于理論研究階段,目前沒有關(guān)于地面半物理仿真實(shí)驗(yàn)的報(bào)道,更沒有搭建任何系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行原理性驗(yàn)證.與現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比,QPS 主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)如下[10]:
1)新型信號(hào)體制,提升了測(cè)距及定位精度
星基量子導(dǎo)航系統(tǒng)與傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于采用的信號(hào)體制不同.傳統(tǒng)定位系統(tǒng)基于無線電測(cè)距理論,采用重復(fù)發(fā)送的電磁波,通過測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間,進(jìn)而獲得距離測(cè)量信息進(jìn)行定位解算.根據(jù)海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理,對(duì)于發(fā)射功率和信號(hào)帶寬受限的經(jīng)典無線電導(dǎo)航體制,其在定位精度上有著不可逾越的上限[8].星基量子導(dǎo)航系統(tǒng)以量子測(cè)距理論替代原有的無線電測(cè)距理論,利用光子的微觀量子特性,以糾纏和量子壓縮為基礎(chǔ),突破經(jīng)典無線電導(dǎo)航體制的定位精度上限,提供亞皮秒級(jí)的時(shí)間差估計(jì),使得QPS 可以提供小于1 cm 的定位精度.
2)光子符合計(jì)數(shù),降低了用戶鐘長(zhǎng)穩(wěn)需求
傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要星載時(shí)鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定性來保證定位精度,QPS 依靠光子符合計(jì)數(shù)器來測(cè)量時(shí)差,星載時(shí)鐘僅需高精度短期穩(wěn)定性[8].由于測(cè)距問題本質(zhì)上是時(shí)間測(cè)量問題,光子到達(dá)時(shí)間準(zhǔn)確度越高,時(shí)鐘同步的時(shí)間分辨率越小,時(shí)鐘同步精度越高.因此量子精密測(cè)距方法也為解決高精度時(shí)間同步問題提供了思路,規(guī)避了對(duì)高精度原子鐘過高的技術(shù)需求.
3)量子信息傳輸,提供更高的保密安全性
量子具有不可克隆、不可分割,不可復(fù)制的特性.根據(jù)量子力學(xué)原理,微觀粒子都是處于多個(gè)狀態(tài)的疊加態(tài),一旦對(duì)微觀粒子進(jìn)行測(cè)量,那么將破壞這種疊加態(tài),微觀粒子的狀態(tài)也會(huì)隨之發(fā)生改變.由于QPS 的信息載體是糾纏雙光子,一旦衛(wèi)星與用戶接收機(jī)的通信信道受到第三方竊聽,必然會(huì)干擾正常的信息傳輸,而這種異常狀況很容易就能被通信雙方所發(fā)現(xiàn),因此,星基量子導(dǎo)航系統(tǒng)信息傳輸具有很高安全性[11].
分析QPS 發(fā)展停滯的原因,主要在于以下幾個(gè)方面:
1)技術(shù)體制方面,QPS 的核心技術(shù)還未達(dá)到實(shí)用化階段,限制了相關(guān)試驗(yàn)研究的開展.如量子信號(hào)的制備、量子操控技術(shù)、量子退相干控制技術(shù)、單光子探測(cè)器技術(shù)等,目前的研究水平還不能滿足使用需求.
2)由于糾纏光子對(duì)經(jīng)過空間傳播時(shí)存在退相干問題,導(dǎo)致了干涉式量子精密測(cè)距的作用距離存在一定限制,目前尚未實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏測(cè)量技術(shù)突破.
3)工程實(shí)現(xiàn)方面,一個(gè)目標(biāo)位置的確定,需要三條以上的量子基線對(duì)的支持,也就是需要6 顆導(dǎo)航衛(wèi)星.導(dǎo)航衛(wèi)星的位置要求精確已知,且為了實(shí)現(xiàn)干涉測(cè)量需要在衛(wèi)星間實(shí)現(xiàn)通訊傳輸,由此造成了QPS在工程實(shí)現(xiàn)上的難度和代價(jià)較大.
量子慣性導(dǎo)航技術(shù)是以量子力學(xué)和Sagnac 效應(yīng)為理論基礎(chǔ),使用符合薛定諤方程的原子或者其他粒子作為信息敏感體,敏感載體角運(yùn)動(dòng)與線運(yùn)動(dòng)參量,再進(jìn)行導(dǎo)航解算,計(jì)算出載體的位置、航向、姿態(tài)等信息.原子陀螺/加速度計(jì)是量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心傳感器.如圖2 所示,按照技術(shù)體制劃分原子陀螺可以分為原子自旋陀螺(atomic spin gyroscope,ASG)和原子干涉陀螺(atomic interference gyroscope,AIG)兩類.目前國(guó)內(nèi)外優(yōu)勢(shì)發(fā)展方向主要集中于核磁共振(nuclear magnetic resonance gyrascope,NMRG)陀螺、無自旋交換弛豫(spin-exchange relaxation-free,SERF)陀螺和冷原子干涉陀螺領(lǐng)域.
圖2 原子陀螺技術(shù)類別
NMRG 陀螺的主要優(yōu)勢(shì)在于其具有小體積和導(dǎo)航級(jí)的精度水平,理論零偏穩(wěn)定性為10-4(°)/h,預(yù)期體積為厘米級(jí),未來主要應(yīng)用于水下無人潛航器、微小型智能平臺(tái)、無人機(jī)群等小型化、輕質(zhì)化應(yīng)用領(lǐng)域[12].中國(guó)航天科工集團(tuán)三院33 所、航天九院13 所、北京航空航天大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)618所等單位研制的NMRG 陀螺零偏穩(wěn)定性為0.1 (°)/h量級(jí),與美國(guó)Northrop Gruman 公司同類產(chǎn)品相比,在性能上相差一個(gè)數(shù)量級(jí).小型化NMRG 陀螺工程應(yīng)用要達(dá)到體積與微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro mechanical system,MEMS)類似,精度與光纖、激光陀螺類似的預(yù)期,還需要在縮減體積上下功夫[13].
SERF 陀螺具有靜電陀螺儀的精度和光學(xué)陀螺儀的成本和體積,理論零偏穩(wěn)定性為10-8(°)/h,體積為分米級(jí),未來主要應(yīng)用于艦船導(dǎo)航等[14].但目前SERF 陀螺存在受磁干擾影響較大,動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍相對(duì)較小等技術(shù)問題.北京航空航天大學(xué)、航天九院13 所等單位研制的SERF 陀螺精度優(yōu)于國(guó)外公開報(bào)道最好水平,目前零偏穩(wěn)定性為10-3(°)/h.SERF 陀螺要達(dá)到戰(zhàn)略級(jí)工程化應(yīng)用還需重點(diǎn)解決抗干擾能力差,現(xiàn)階段精度與光纖、激光陀螺相比優(yōu)勢(shì)尚不明顯等問題.提升SERF 陀螺性能主要受限于低噪聲磁材料,窄線寬激光器、高純度原子源等技術(shù)的發(fā)展等[15].
AIG 理論極限零偏穩(wěn)定性為10-10(°)/h,未來實(shí)現(xiàn)工程化后預(yù)計(jì)可以達(dá)到10-6~10-8(°)/h.與零偏穩(wěn)定性在10-3~10-4(°)/h 量級(jí)的激光、光纖陀螺相比,AIG 在測(cè)量精度發(fā)展前景上具有顯著的優(yōu)勢(shì).未來主要應(yīng)用于水面、水下艦艇、潛艇、深空飛行器等領(lǐng)域.但目前AIG 技術(shù)成熟度不高,存在體積大,動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍不足等問題亟待解決.中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、清華大學(xué)、中船重工717 所、航天九院13 所等單位研制的AIG 儀目前靜態(tài)零偏穩(wěn)定性為10-4(°)/h,體積為0.02 m2,重量70 kg,與法國(guó)巴黎天文臺(tái)相比,其性能相差一個(gè)數(shù)量級(jí).AIG 面向船用工程化還需重點(diǎn)突破數(shù)據(jù)采樣率低,帶寬量程小,實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)距離理論精度有差距等問題.
量子重力儀是利用冷原子干涉技術(shù)精確測(cè)量重力加速度、重力梯度等重力場(chǎng)參數(shù)的設(shè)備,是原子干涉技術(shù)最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域.相比基于彈簧加速度計(jì)的相對(duì)重力儀,原子重力儀具備如下優(yōu)點(diǎn)[16]:1)原子測(cè)量為微觀測(cè)量,相比宏觀質(zhì)量量測(cè)方式,可避免儀器精度的提高受機(jī)械、制造等因素影響和限制,無機(jī)械磨損;2)既可測(cè)量相對(duì)重力值,也可測(cè)量絕對(duì)重力值,測(cè)量可重復(fù)性好,靈敏度高;3)零偏小,長(zhǎng)期穩(wěn)定性好;4)測(cè)量精度高.冷原子運(yùn)動(dòng)速度低,可以為精密測(cè)量提供充足的測(cè)量時(shí)間,另外物質(zhì)波干涉測(cè)量方式可有效提升測(cè)量分辨率[17].目前原子重力儀除了固有長(zhǎng)程穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)外,其測(cè)量精度已經(jīng)超過目前實(shí)際使用的基于加速度計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)重力儀.這是原子干涉技術(shù)應(yīng)用潛力的實(shí)際體現(xiàn).除了重力儀,從原理上分析,重力梯度儀具有更強(qiáng)的抗載體運(yùn)動(dòng)干擾能力,能降低重力儀對(duì)隔振平臺(tái)的要求,同樣具有良好的研究和應(yīng)用前景.
目前原子重力儀的研究可以分為兩大方向:大型超高精度冷原子重力儀和小型化可移動(dòng)冷原子重力儀.小型化重力測(cè)量設(shè)備多采用自由下落式測(cè)量方式.大型超高精度原子重力儀包括地面10 m 原子噴泉和空間原子加速度計(jì).噴泉式重力儀雖然需要原子上拋過程,使重力儀設(shè)計(jì)更加復(fù)雜,但干涉時(shí)間是自由下落式的兩倍,測(cè)量靈敏度更高,干涉區(qū)磁屏蔽也更容易實(shí)現(xiàn)[16,18-19].
目前我國(guó)量子重力儀已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,目前有代表性的產(chǎn)品有三款:1)華中科技大學(xué)研制的微伽級(jí)量子重力儀,是我國(guó)首臺(tái)開展行業(yè)應(yīng)用的量子重力儀產(chǎn)品;2)華中科技大學(xué)研制的小型化毫伽級(jí)量子重力儀,可適用于野外測(cè)量;3)中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院研制的冷原子重力儀工程樣機(jī),靜態(tài)測(cè)量精度達(dá)到5 uGal,與國(guó)際最高精度水平相當(dāng).此外,計(jì)量院、浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中船重工集團(tuán)707、中船重工集團(tuán)717 所、航天科技集團(tuán)九院13 所、清華大學(xué)等單位也有相關(guān)工程樣機(jī).目前我國(guó)量子重力儀總體技術(shù)處于國(guó)際第一陣列,但重力梯度儀精度距離國(guó)際先進(jìn)水平尚有差距,主要表現(xiàn)在:1)工程應(yīng)用能力不足,美國(guó)已將原子干涉重力梯度儀應(yīng)用于核潛艇的高精度導(dǎo)航中,將成為高精度組合導(dǎo)航的重要組成.國(guó)內(nèi)研究成果還局限于民用領(lǐng)域,在軍用高精度產(chǎn)品研制、平臺(tái)及環(huán)境適應(yīng)性改造等方面還有差距.2)一體化集成能力不高,目前我國(guó)產(chǎn)品在精度及體積的兼顧方面還有差距.高精度產(chǎn)品多采用分立式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),小型化不足.3)創(chuàng)新性不足,我國(guó)在量子重力儀研制方面取得了一定突破,但技術(shù)路線創(chuàng)新性有待提高,部分核心器件國(guó)產(chǎn)化水平存在差距[20].
美國(guó)在2006 年國(guó)防部“發(fā)展中的科學(xué)技術(shù)清單”、2010 年美軍“技術(shù)地平線:美國(guó)空軍2010—2030 科技愿景”、2013 年美軍“全球地平線:美國(guó)空軍全球科技愿景”、2013 年國(guó)防科學(xué)委員會(huì)“保持2030 年前優(yōu)勢(shì)的技術(shù)與創(chuàng)新”等多項(xiàng)發(fā)展規(guī)劃和計(jì)劃中明確強(qiáng)調(diào)了冷原子陀螺發(fā)展的重要性,并在其列出的30 項(xiàng)具有潛在發(fā)展前景的領(lǐng)域中,將冷原子陀螺列入具有最高優(yōu)先權(quán)12 項(xiàng)技術(shù)之一.冷原子定位、導(dǎo)航與授時(shí)(positioning,navigation and timing,PNT)技術(shù)已成為可提升下一代導(dǎo)航定位核心能力,并能夠在2030 年前投入使用的新興技術(shù),是后續(xù)PNT 發(fā)展中具有技術(shù)引領(lǐng)作用的核心重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域[1].
綜合以上發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析,我國(guó)在量子導(dǎo)航技術(shù)體系方面已經(jīng)呈現(xiàn)出了多體制并行發(fā)展,以及與國(guó)外技術(shù)強(qiáng)國(guó)比肩趕超的發(fā)展態(tài)勢(shì),但也存在工程化產(chǎn)品技術(shù)成熟度還不足,許多技術(shù)瓶頸有待突破等問題.通過現(xiàn)狀及問題分析,瞄準(zhǔn)后續(xù)發(fā)展,提出建議如下:
1)我國(guó)在部分精密激光器件、微型化精密加工設(shè)備方面,關(guān)鍵設(shè)備依賴進(jìn)口,核心技術(shù)受制于人.而精密機(jī)電設(shè)備制造技術(shù)發(fā)展需要長(zhǎng)期技術(shù)積累,依靠自身產(chǎn)能和市場(chǎng)機(jī)制難以良性發(fā)展,建議從國(guó)家政策層面持續(xù)支持.
2)目前量子測(cè)量設(shè)備研發(fā)還主要集中在陀螺儀研制方面,具有完整導(dǎo)航定位功能的工程化產(chǎn)品相對(duì)較少.后續(xù)需要加強(qiáng)國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研制單位之間技術(shù)合作,加速系統(tǒng)集成化和工程化.
3)拓展量子慣性導(dǎo)航器件在艦艇、機(jī)載、車載等多平臺(tái)的測(cè)試實(shí)驗(yàn),結(jié)合多場(chǎng)景應(yīng)用掌握能力需求,摸清設(shè)備能力底線,結(jié)合需求推動(dòng)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展.
量子導(dǎo)航技術(shù)具有精度高、不易受干擾、安全性好等優(yōu)勢(shì),是最有希望彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)缺陷的高新技術(shù),也是未來導(dǎo)航定位技術(shù)制高點(diǎn).本文在全面梳理星基量子導(dǎo)航技術(shù)、量子慣性導(dǎo)航技術(shù)以及量子重力儀等主要量子導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題基礎(chǔ)上,提出了量子導(dǎo)航后續(xù)發(fā)展建議,以期為我國(guó)量子導(dǎo)航技術(shù)產(chǎn)學(xué)研全面發(fā)展提供參考.
致謝:感謝航天科技集團(tuán)九院十三所、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一七研究所、中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇七研究所等研究團(tuán)隊(duì)對(duì)本文的支持與幫助.