環球快看：量子導航定位系統離我們有多遠

2022年諾貝爾物理學獎授予法國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤和奧地利科學家安東·蔡林格，以表彰他們在“糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式和開創量子信息科學”方面所作出的貢獻。光子糾纏再次成為物理學界內外議論的焦點。

包括光子糾纏在內的量子糾纏，已經不是新聞，早在1935年就有人提出。作為測量工作者，我們關注的是以光子糾纏為代表的量子信息科學對導航定位的影響。

分子、原子、光子等構成了物質的基本單元，統稱為量子。糾纏是一種純粹的量子現象。處于量子糾纏中的粒子，無論相隔多遠，當其中一個粒子的狀態發生變化，另一個將立刻受到影響。這種強烈的相關性似乎超越了空間和時間，一旦知道一個粒子自旋，就能馬上確定另一個粒子自旋，也許正是基本粒子之間的這種深層量子聯系，將空間和時間連接在了一起。

【資料圖】

導航定位技術從天體導航、地文導航、地磁場導航，到近現代的慣性導航、無線電導航、聲吶導航、光學導航，已經發展到人們熟悉的衛星導航。作為星基無線電導航，衛星導航雖然獲取實現米級的空間位置信息，但抗干擾性較差，于是人們提出了量子導航定位系統。量子導航定位與量子通信、量子計算一樣，都是量子信息科技發展的重要方向。

以光子為例，光子糾纏對（兩個光子糾纏）可用于導航定位，從衛星上發出，也可從地面發出，接收者可以在地面或者在衛星上。

量子導航定位系統就是借助量子衛星獲得衛星與地面之間傳遞光子糾纏對的時間差，建立包含用戶坐標的衛星和地面間的距離方程，確定地面用戶的空間坐標。科研人員提出了用3顆或6顆衛星建立量子導航定位系統的方案，從衛星發射、運行和維護成本上看，量子導航定位系統具有優越性。

量子導航定位系統可分為有源導航定位和無源導航定位兩大類。有源導航定位采用收發量子信號的方式定位，如果用光子糾纏對，實際上就是收發特殊的光。無源導航定位采用量子傳感器進行導航定位，不向外界發送信號。有源導航定位使用的范圍較大，無源導航定位只能在傳感器的作用范圍內使用。包括量子導航定位系統在內的有源導航定位，需要捕獲、跟蹤和瞄準系統，也需要精密的時鐘系統配合。

2016年，通過發射運行于高度500千米、傾角97.37°軌道的“墨子”號量子衛星，我國已經實現了量子通信，還建立了新疆天文臺南山觀測站，以及位于青海省德令哈市、河北省興隆縣和云南省麗江市的4個量子衛星通信地面站，為星基量子導航定位系統打下了基礎。

我國在量子糾纏操縱方面一直處于國際領先地位，已經實現了首次洲際量子通信，相距7600公里的中國和奧地利完成量子保密通信，并發表了一些高水平的論文，這為我國在量子導航定位系統的研發提供了優勢。

目前，我國量子導航定位系統的研究還處于起步階段，只有經歷基礎研究、關鍵技術研發、工程化集成與驗證等階段，才能實現商業化應用，像衛星導航那樣普及到廣大用戶手中。

（作者系中國測繪科學研究院高級工程師）

標簽： 定位系統 衛星導航 量子糾纏