量子羅盤問世，未來導航不靠GPS？

　　在古代，中國的風水先生們首先發明了羅盤。

　　羅盤后來傳入了西方，恩格斯在《機器、自然力和科學的應用》一書中寫道：“羅盤(指南針)打開了世界市場并建立了殖民地。”

　　古代中國人的這項發明被西方人應用于大航海時代，對地理大發現以及資本主義興起起到了推動作用。

　　幾百年過去了……

　　2018年11月，英國帝國理工學院研究人員和M Squared公司攜手，研制出全球首款用于導航的量子加速度計，這款導航設備被稱為“量子羅盤”。它是不依賴全球定位衛星(GPS)的防干擾導航裝置。

　　這個由西方人發明的“量子羅盤”看起來在未來的導航產業中具有巨大的價值。

　　這年頭，只要與“量子”掛鉤的技術都顯得十分高大上，比如不久前還有人提出了“量子針灸”等概念。但是，并不是所有的“量子技術”都是真正的科學。

　　這款“量子羅盤”到底是不是真的高科技呢?它的基本原理是什么?未來的導航還需要用GPS嗎?

　　三種不同的導航原理

　　導航設備一般可以分為三類：慣性導航、衛星導航與天文導航。

　　慣性導航比較傳統，一開始出現在第二次世界大戰期間，那時候德國的導彈能從德國發射后很精確地飛到英國倫敦上空。這主要就是因為導彈里安裝有慣性導航的設備——那時候還沒有衛星導航這個技術。慣性導航的設備主要由加速度傳感器與陀螺儀組成。加速度傳感器可以定出飛行器(導彈等)在空中相對于自身固連慣性參考系的加速度。而陀螺儀則可以定出飛行器自身固連慣性參考系與地面參考系之間的變換矩陣。

　　這種應用于導彈的慣性導航后來被用到飛機與潛艇等設備中。但慣性導航很少用到汽車里，在全球定位系統建成之前，家用汽車是沒有導航的，那時候的人開汽車去陌生地方很容易走錯路。

　　衛星導航主要依靠天上的人造地球衛星給地面上的運動物體導航。最著名的衛星導航系統有美國的全球定位系統與中國的北斗系統等。在天上的四顆衛星可以定出地面上運動物體的(X，Y，Z，T)四個時空坐標，這就能實現定位導航。但衛星導航有一個缺點——這需要電磁波的傳遞，在深海里的潛艇無法接受到空間的電磁波，因此接受衛星導航信號。

　　天文導航則是一個既古老又現代的概念。中國古人就用北斗七星中的北極星來導航，這就是一種古老的天文導航思想。在科幻小說《三體》中，作者這寫到了利用恒星之間的距離關系來導航的思想。在現實中，最近中國的航天五院有一些科學家提出了利用宇宙空間的脈沖星來進行導航的思想——不過脈沖星導航也許在地球上的飛行器飛出太陽系之后才有實際用處。天文導航是未來星際旅行時代的導航發展方向。

　　量子羅盤屬于慣性導航

　　那么，量子羅盤屬于上面所說的三種導航原理中的哪一種呢?

　　英國帝國理工學院研究人員和M Squared公司研制的這款“量子羅盤”能確定地球上任何地方的精確位置，它不依賴外部衛星導航信息，所以不屬于衛星導航;這個設備也不需要北極星或者脈沖星的參與，因此也與天文導航無關。

　　量子羅盤是一款慣性導航產品。

　　那么，這款量子羅盤是怎么工作的呢?其量子性又體現在什么地方?

　　據報道，這款量子羅盤能測量極低溫度(接近絕對零度，也就是零下273度)下超冷原子的運動。制備超冷原子的基本技術之一是用激光致冷原子，這是華人物理學家朱棣文等人發明的方法，朱棣文還因此得到諾貝爾物理學獎，隨后出任美國能源部部長。

　　因此，要實現原子的超冷狀態，需要用一種定制的激光器來操縱和控制原子。這種激光器正是由總部位于格拉斯哥的M Squared公司花了近三年時間才研制出來。

　　有了超冷原子，如何才能實現導航呢?

　　按照慣性導航的原理，我們需要知道系統的加速度，然后才可以對加速度做間積分得到速度，再對速度求時間積分得到位置信息，因此測出加速度信息是關鍵。據中國科學技術大學副研究員張文卓向我們介紹， 冷原子的物質波干涉可以測出這個加速度的信息，從而實現慣性導航。而且這個量子羅盤的導航精度非常高，比目前依靠經典電路的加速度傳感器的精度要高幾個數量級。

　　量子羅盤會取代衛星導航嗎?

　　最近幾十年來，衛星導航已經成為最重要的社會基礎設施之一。對于私家車主來說，離開了導航系統，很多人都不知道怎么開車了。中國的北斗系統與美國的GPS全球定位系統，都構成了巨大的產業鏈，但這些導航系統依賴于衛星信號。這也給未來的發展留下了隱患，尤其是在戰爭期間，一旦衛星系統被摧毀，那么全球各地的導航信號都將消失。

　　因此，很明顯，首先從軍事上來說，量子羅盤具有現實意義。因為量子羅盤不需要衛星信號，它依靠自身的冷原子干涉就可以實現自主導航，這在軍事上的價值巨大。比如在深海中，核潛艇需要在很深的海底航行，海水與空氣不同，電磁波無法在深海里傳播，所以在海底，依靠衛星導航是不可能的，量子羅盤可以在核潛艇中使用。

　　因此，從軍事意義上來說，我們國家除了要發展北斗系統等導航設備，也需要關注量子羅盤等新一代慣性導航技術的發展，這對國家安全至關重要。

　　除了軍事意義，量子羅盤作為一種新興事物，暫時還不會影響現在的民用導航產業格局。因為目前的量子羅盤還處于實驗研發階段，從公開資料來看，量子羅盤的體積很大(體積超過了1立方米)，而且需要用到真空設備與激光設備，造價昂貴(至少價值上千萬人民幣)，這在民用上普及還不可能。要想在民用市場上普及，必須做到小型化以及低成本化，這在短期內是無法做到的。

　　所以，量子羅盤問世，在短期內不會取代GPS等衛星導航設備的市場地位。

　　中國導航產業界應重視量子羅盤這個“黑科技”

　　目前，我們國家的導航產業主要是北斗衛星導航系統，2017年我國衛星導航與位置服務產業總體產值已達到2550億元。2018年，北斗系統進入全球組網密集發射期，目前已成功發射17顆北斗三號組網衛星，年底前還將發射兩顆組網衛星，服務“一帶一路”沿線國家和地區。這說明中國的北斗系統已經有了很大的成就。

　　《2018中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》預計，到2020年北斗應用在交通運輸、和智慧城市建設等細分市場的規模有望超過2萬億元。

　　雖然北斗衛星導航是我們國家導航產業的主旋律之一，但我們還需要一些新的導航方法，尤其是不能放棄慣性導航這種傳統的導航方法。目前依然有不少企業在慣性導航上做技術攻關，比如星網宇達就是一家致力于慣性技術研發及產業化的高科技公司，可為用戶提供從單一器件到配套產品直至整個系統的解決方案。

　　而在慣性導航方面，量子羅盤是一個值得跟蹤的研究方向，因為其定位精度極高，而且冷原子的干涉技術可以用到引力地圖的測量、礦產資源的探測等多個領域，這些領域雖然不是直接與導航產業相關，但都有巨大的產業價值。

　　重視量子羅盤的發展，在適當的時候把它引入到中國的導航產業中來，是所有有前瞻性眼光的企業都應該努力去做的事情。

　　也許在未來，人類進入了太空時代，那時候肯定不能再用衛星導航，量子羅盤這種慣性導航將成為未來時代的主要導航手段。

　　未來社會是一個量子的社會，順勢而為必將有所作為。量子羅盤，值得我們從現在開始就去關注它!