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量子羅盤:“單挑”衛星定位系統

  • 發佈時間:2014-11-26 04:59:57  來源:經濟日報  作者:佚名  責任編輯:羅伯特

  歷經87個日日夜夜、航行19271海裏,第一次參加“環太平洋”演習的中國海軍艦艇編隊勝利返回軍港。軍演中,各國艦艇、戰鬥機與潛艇展開了激烈的攻防演習,神出鬼沒的“深海精靈”潛艇作為潛海作戰的主角,引起了軍事愛好者的關注。

  對於潛艇來説,定位至關重要,量子羅盤可以幫潛艇告別衛星定位,又可以提高導彈的精度。那麼,究竟什麼是“量子羅盤”?我國量子羅盤研製的狀況如何?此外,它還有哪些價值?專家、學者將給出答案。

  名詞解釋:

  所謂量子羅盤,也可以叫做量子定位系統,是導航定位的一種新技術。它是利用冷原子對於外力和加速度變化的敏感性,構建起原子干涉儀,通過精確的實時探測系統所感受到的加速度,計算出系統運動的路徑,從而達到導航定位的目的,屬於慣性導航定位的方法之一。由於量子加速度計可以感受到極其微小的引力變化以及加速度的變化,所以可以非常精確地計算出物體在各個時刻所處的具體位置。

  國內研究“強”在哪

  開創顛覆性歷史的量子羅盤,將以其自身獨到的技術優勢展現多姿風采。目前,英國國防部正投資數百萬英鎊于量子羅盤。此外,多個發達國家的戰略規劃相關部門均表示要著手開發可以替代衛星定位系統的量子羅盤。

  據英國《金融時報》防務與安全記者薩姆·瓊斯的相關報道,英國正在建造陸基天線陣列,以作為GPS的備用系統;南韓也在建造類似天線陣列。英國國防科學與技術實驗室科技與創新主管尼爾·斯坦斯菲爾德曾對媒體表示:“我們這方面的技術在英國是最先進的。我個人的猜測是,第一台原型機3到5年內就能成型。對我們來説,關鍵在於要開發的是一種不依賴於天基的設備。這種設備在軍事上有一系列用途。”

  在陳帥看來,目前我國尚未對量子羅盤開展系統性的研究和技術攻關,但是在基本的原理性研究和技術儲備方面,還是有相當基礎的。量子羅盤涉及到的關鍵技術主要有:冷原子和超冷原子的製備技術,精密的鐳射鎖相技術,原子干涉儀技術等等。

  “目前,國內有一些單位和部分專家,如浙江大學、華中科技大學等在原子干涉儀、引力測量方面都有積累,近期也有不錯的成果出現。”陳帥表示:中國科學技術大學潘建偉院士領導的量子物理和量子資訊研究團隊在鐳射技術、超冷原子以及原子—光子干涉儀的技術方面,近年來取得了一系列國際水準標準的成果。

  “我國目前已具備研製量子羅盤的基本技術,一旦在此方面進行系統性的研究和技術攻關,應該能在可以預期的時間內達到英國人所宣稱的水準。”陳帥認為。

  而在劉伍明看來,目前冷原子研究工作已經在我國多所大學及研究所開展,國內的技術正逐步趕超國外。他向記者舉例,上海光機所量子光學實驗室已于2002年實現了玻色—愛因斯坦凝聚(BEC,Bose-Einstein Condensation)這一冷原子領域的標誌性實驗,此後,山西大學、中科院物理所等單位也相繼實現了BEC實驗。小型化晶片級的BEC實驗也于2008年首次成功後至今不斷向前發展。

  今年8月,中國計量科學研究院研製的NIM5銫原子噴泉鐘,2000萬年不差一秒,成為國際計量局認可的基準鐘之一,我國成為第八個獲國際計量局認可參與駕馭國際原子時的國家。“在冷原子時間頻率標準方面,我國的原子鐘技術是走在國際前沿的。”劉伍明舉例。

  “我國目前的困難是,面對這個需要多學科尖端技術合作的領域,關於如何協調並有效提高合作效率的問題。”李海容坦言,各家冷原子單位的技術問題還停留在一定範圍內進行技術攻關,仍然無法體現出未來量子科技領域廣泛的高科技合作趨勢。

  量子羅盤“神”在哪

  如果説指南針是人類探索地球磁場的最早發明,那麼量子羅盤無疑是完全不同於衛星定位系統的全新領航專家。

  眾所週知,美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的“伽利略”以及我國的“北斗”,並稱為全球四大定位系統。“不過,這些系統都是基於衛星的全球定位系統。要精確地確定一個物體所處的位置,至少要接收到4顆衛星傳來的電磁信號。如果在地下或者水下這類無法接收到電磁波信號的地方,四大定位系統就無能為力了。”中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室教授陳帥告訴記者,量子羅盤所區別於GPS等四大定位系統之處,就在於它不需要實時接收外界的電磁定位信號,而是通過自身所感受到的加速度的變化來確定運作路徑,非常適合於在地下或水下等無法接收到電磁信號的地方工作,尤其適合潛艇的導航和定位。

  “GPS技術受到許多限制,由於它依賴於發射到空中的衛星,一方面其容量有限,另一方面是易受攻擊。”中國科學院物理研究所研究員劉伍明表示,與GPS不同,量子羅盤最顯著的特點就是在物理上是極難被外界的干擾所破壞。量子羅盤將不再需要衛星以及無線電發射塔等類固定參考點,特別是在水下GPS無法工作的情況下,意味著當潛艇終於浮出水面便於使用GPS定位時,極有可能已經航行偏差很大了。倘若應用量子羅盤則可以將這個偏差降低近三個數量級,量子羅盤一天累計導航誤差僅為3英尺大小。

  在北京航空航太大學儀器科學與光電工程學院李海容博士看來,量子羅盤利用了鐳射冷卻原子這一2007年諾貝爾獎的成功發現,它的核心要素是“原子的冷卻”,原子越冷精度越高。量子羅盤的主要攻破技術包括:超冷原子的俘獲及控制技術,高精度鐳射産生及傳輸控制技術,此外,還有如小型化的晶片技術、優化的光纖技術、低溫超導遮罩技術等等,研製成功先進的量子TNS儀器是一個集多學科、高尖端技術為一體的重要目標。

  定位格局“變”在哪

  2400多年前,在長達27年的伯羅奔尼撒戰爭中,雅典情報專員從波斯帝國帶回一條雜亂無章的腰帶,當它呈螺旋形狀纏繞在劍鞘上時,一串串文字開始逐漸顯現;在古代中國,先人在信封上用火漆封口,一旦運輸途中信封拆開,“泄密”的痕跡便會展露無遺……

  時至今日,量子研究是一個十分重要的科學領域,未來國際上關於量子羅盤的競爭將會愈來愈激烈,量子羅盤將向更大規模的網路發展。

  “據相關報告顯示,英國預計幾年內完成原型機,此後會在此基礎上進行小型化。”李海容預計,在不久的將來,手機等一切目前依賴於GPS的定位系統都可以被量子羅盤替代。“人類將駕駛內部導航而不是外部導航的私家車,與此同時,社會上流傳的有關GPS定位侵犯隱私的爭論也將因量子羅盤的廣泛使用而銷聲匿跡。”李海容補充説。

  劉伍明告訴記者,在軍事領域,量子羅盤的率先使用將導致未來軍事格局的巨大變革,各種潛艇、戰鬥機等應用量子羅盤導航現代高、精、尖武器將更為精準,單兵也將可以攜帶自己的導航儀。值得關注的是,這些導航設備工具將非常穩定,除非將來的某一天反重力設備研發成功。

  “在商業層面,不論是民用的飛機、火車、汽車,還是包括手機、平板電腦在內的小型化機械設備,最終都可以使用上量子羅盤。”李海容進一步表示,量子羅盤將全面取代GPS,並預計將帶給全世界10多億美元的市場交易。

  其實,量子羅盤是一個極具科普色彩的專有科技名詞,而羅盤原指司南即“地磁場方向計”,在現代科技中被擴展成系統的定位導航儀器。不過,量子羅盤並不是“無所不能”。劉伍明坦言,即便廣泛使用量子羅盤技術,也並不意味著可以完全放棄GPS等定位系統。在從GPS到量子羅盤的過渡過程中,將會有相當長的一段時間。“量子羅盤將僅僅起到比原有慣性儀器更精確的導航儀器的作用,只是比利用GPS定位校準的時間間隔得到大大延長。”李海容坦言。

  不難想像,量子羅盤將在提供可靠的安全服務和精準的安全保障方面大有可為。

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