科学家在研究中使用的量子磁力计。图片来源：澳大利亚斯威本科技大学
◎本报记者 刘 霞
想象一下，潜艇无需浮出水面即可重新定位并保持准确航向；飞机不受GPS信号中断的影响，安全且精准地在天空翱翔；应急响应人员在烟雾弥漫的建筑物或地下隧道中精准定位每个生命迹象；自动驾驶汽车游刃有余地穿梭于钢铁丛林间……
澳大利亚对话网站近日报道，上述看似科幻的场景，有望在方兴未艾的量子传感器技术的催化下变为现实。量子传感器将开启导航新时代，不仅能引导人们活动的轨迹，也在重构人们与世界的连接方式，拓展人类对宇宙的探索。
卫星导航强大却脆弱
全球定位系统（GPS）等卫星导航系统已经深深融入现代生活中，成为人们不可或缺的基础设施，维系着现代文明有序运转的神经脉络。它不仅为人们的日常出行提供导航，还支撑着从金融交易到电力调度等关键领域。股市的毫秒级交易依赖卫星授时，庞大的电网系统也需要其实现精准平衡。在广袤的田野间，自动驾驶拖拉机沿着卫星划定的轨迹耕作；牧场上，电子围栏通过定位信号聚拢散养的牛羊；而当危机发生时，应急车辆呼啸驶过的每一条最优化的路径，也打上了导航卫星的烙印。
然而，这诸多便利背后，潜藏着卫星导航脆弱的缺点。卫星信号可能会因为战争、恐怖主义或隐私等问题而受到干扰。
更不可控的威胁来自变幻莫测的太空。周期性爆发的太阳风暴会将大量带电粒子抛向地球，这些宇宙洪流冲击磁场时，会导致卫星信号如风中之烛般飘摇。虽然多数扰动转瞬即逝，但强风暴可能造成重大破坏。
这种脆弱性带来的代价远超想象。研究显示，GPS信号发生故障一天，就会给美国造成10亿美元的经济损失。而更可怕的影响在于蝴蝶效应——当导航信号消失，从物流调度到灾害预警，多个关联系统将如多米诺骨牌般接连崩塌，给人类生命财产安全造成重大损失。
此外，卫星导航信号无法渗透到水下或地下空间，在摩天大楼林立的城市，GPS信号有时也像无头苍蝇般四处碰壁——谷歌地图上飘忽不定的蓝点，正是现代人熟悉的“数字迷航”的生动体现。
打破“数字迷航”困局
在某些场景下，卫星导航信号不佳，甚至难以企及，而量子传感器有望打破“数字迷航”的困局。
芬兰国家技术研究中心微电子和量子技术部负责人佩卡·伊科宁解释说，量子传感器是一种利用量子力学原理来探测和测量微观世界的新型工具。它们利用量子叠加态和量子纠缠等特性，能够对电流、电场、磁场、光和时间等多种物理特性进行高灵敏度测量，具有远超传统传感器的能力。
伊科宁说，量子传感器之所以如此灵敏，是因为量子粒子会对周围环境中的微小变化作出反应。与可能错过微弱信号的普通传感器不同，量子传感器非常擅长检测时间、重力或磁场等事物的微小变化，而这种灵敏度和准确度对于稳健的导航系统至关重要。
一些研究机构和企业正在研制新型量子传感器，如澳大利亚斯威本科技大学创新星球研究所、德国科技集团博世量子传感器公司等。这种传感器可测量地球不变的磁场，因此不易受到影响，从而能够在空中、道路和水下提供超精确导航。
据德国《世界报》网站稍早时间报道，博世量子传感器公司表示，给飞机导航时，这种传感器可测量地球磁场，沿着磁场引导飞机飞行，这时就不需要GPS信号。除补充或替代GPS系统外，卫星信号覆盖不佳的地球南北两极也是此类传感器的用武之地。
小型化和降成本是关键
创新星球研究所所长艾莉森·基利畅想，未来的导航系统将集成量子传感器，通过测量地球磁场和引力场提高定位精度，利用量子陀螺仪精准指向，并通过紧凑的原子钟和互联的计时系统实现卓越计时。
量子导航蓝图令人神往，但量子传感器与量子计算一样，不可避免地会面临重大的设计挑战。关键障碍包括降低量子传感器的尺寸和功率需求、提高量子传感器在受控实验室环境之外的稳定性、将其集成到现有导航系统中等。
博世量子传感器公司首席执行官卡特琳·科贝表示，目前，量子传感器的大小与智能手机相当。他们致力于为其“瘦身”，目标是将其缩小至计算机芯片大小。首批产品预计于本世纪30年代初上市。
成本则是另一个障碍。现有量子设备既昂贵又复杂，降低量子传感器的制造成本势在必行，这也意味着其广泛采用仍需数年时间。
如果能够克服这些挑战，量子导航将如同量子力学一样，以微妙而深刻的方式重塑人们的日常生活。
