量子導航

隨着北斗系統第55顆衛星成功發射，北斗三號全球衛星導航系統於7月31日正式開通。中國衛星導航系統管理辦公室主任冉承其在3日的國新辦發布會上介紹，北斗三號系統提前半年完成全球星座部署，全球服務可用性99%以上。未來還將推動與5G的融合，有望2025年前建成低軌星座系統，屆時全世界都會享受到厘米級定位服務。北斗後續將大力發展「量子導航」等新質能力，構建覆蓋天空地海的服務設施。

目前，北斗已成為聯合國認可的四大全球衛星導航系統之一，冉承其表示，衛星導航是人類共有財富，北斗系統從建設之初，一直聚焦解決和其他衛星導航系統間在信號層面互不干擾的問題，並且要實現「1+1>2」的應用效益。

5G是未來生活的新標桿，將會對時間和位置提出更高的要求，因而5G和北斗衛星導航具有天然的融合性，將進一步推動衛星導航和新興技術的融合。他透露，中國即將要建設一個天基的低軌星座系統，有望2025年前建成，屆時全世界都會享受到北斗的厘米級定位服務。

衛星導航有天然的脆弱性，信號弱、容易被干擾，在室內、水下等場所易受影響。關於北斗後續的發展，冉承其介紹，2035年前，中國將建成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時體系，為未來智能化、無人化發展提供核心支撐，持續推進系統升級換代，融合新一代通信、低軌增強等新興技術，大力發展量子導航、全源導航、微PNT（定位導航授時）等新質能力，構建覆蓋天空地海、基準統一、高精度、高智能、高安全、高效益的時空信息服務基礎設施。

高精度的「時間傳遞」，是人們日常生活中使用導航、定位等應用的核心技術。近年來，「時間傳遞」的安全性越來越受關注，計算機網絡、金融交易市場、電力能源網絡等系統都需要統一的時間基準，如果這些系統遭受到數據篡改、信號欺騙等惡意攻擊，引起的時間錯誤將會導致網絡崩潰、導航失準等重大事故。

據新華社今年5月報道，中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉與同事彭承志、徐飛虎等人利用「墨子號」量子科學實驗衛星，在國際上首次實現了量子安全「時間傳遞」的原理性實驗驗證，精度達到30皮秒（1皮秒等於1萬億分之一秒）的世界先進水平，為未來構建安全的衛星導航系統奠定基礎。國際知名學術期刊《自然．物理》發表了該成果。

發展量子導航定位上天入海雖然量子定位技術將在未來憑藉其高精度、抗干擾、保密性強和對場景的強適應性等特點在眾多定位技術中脫穎而出，但現階段，沒有任何技術能夠提供類似於GPS等衛星定位系統的精度和全天候、全地域工作能力，並在使用成本上與GPS相提並論。未來，量子定位技術與經典定位技術將在很長一段時間內並存。

以下我們詳述什麼是量子導航？為什麼要研究量子導航

最近二十年， 量子定位系統(QPS)作為新型導航技術因其特有的信息傳輸優勢得到飛速發展。 以下將會介紹衛星導航的原理及各自面臨的問題， 主要闡述了量子定位導航系統的概念與基本原理， 量子導航的優勢， 量子導航的分類及國內外發展狀況。

導航的概念自古有之， 明朝鄭和七次下西洋是利用北極星位置作出天文導航；東西方航海時代也有利用地磁導航為古人的出行指明了方向。隨著空間技術、電子信息技術、計算機科學、光學通信等科學技術的發展，這些古老的導航方法在最近幾十年逐漸演變為以無線電導航、慣性導航為代表的各種導航系統，導航、定位、授時(PNT)功能更加完善、 成熟， 人們幾乎可以隨時隨地知道自己想要的位置、時間等信息。 但對於更高要求的導航系統，傳統定位技術的安全性、 脆弱性及最終能達到的精度等方面的問題越來越需要苛刻對待。

量子定位系統(QPS)是在量子力學理論和量子資訊理論的基礎上近些年發展起來的新一代導航定位技術。 該系統中信息的產生、測量與傳輸均有量子的參與，因其具有量子糾纏、量子壓縮等現象，在信息傳輸的保密性、安全性和測量精度等方面有著獨特的優勢，能夠在很大程度上解決傳統導航系統中存在的問題。自量子導航提出之後得到了歐美等國家的重視， 根據定位方式的不同，在衛星有源導航系統與慣性無源導航系統的基礎上分別發展了量子有源與無源定位系統，目前研究人員在兩個方向上均取得了一定的研究成果。隨著量子理論與技術的進一步成熟，量子導航將在光量子通信與定位授時領域發揮越來越重要的作用。

衛星導航定位什麼原理？目前面臨哪些問題？

以 GPS 為代表的衛星導航系統主要由在軌導航衛星、地面監控系統和用戶接收機設備三部分組成； 用戶通過接收衛星信號，可以實現全天候、高精度、小誤差的授時與定位，在通信、交通、航海、 航天、 制導、救援等方面得到廣泛應用。發展本國的導航系統對國家而言具有重要的戰略價值，目前，國際上現存有美國的 GPS 導航系統、俄羅斯的 GLONASS導航系統、歐盟的 GALILEO 民用全球衛星導航定位系統， 以及逐漸趨於成熟的中國北斗導航系統等全球性導航系統，此外印度和日本等國也在開發建立開發區域性衛星定位系統。

衛星導航系統之所以能夠準確定位， 源於三球定位原理。

三球定位

三球定位原理

地面控制段通過跟蹤站對衛星進行監測、控制並注入導航電文，使衛星在相對穩定軌道上繞地運行的同時不停對外播報更新後的軌道參數信息，以此，衛星在各個時刻的空間位置都是確定的； 通過測量從衛星發射出的無線信號傳播到用戶接收機的時間，與無線電傳播速度（光速）相乘，獲得衛星與用戶之間的距離； 由於衛星與接收機之間存在時鐘差，所以觀測值不是真實距離，而是偽距。

已知一顆衛星的位置及該衛星到用戶的距離，則用戶將位於以衛星為球心、以距離為半徑的球面上的某個地方；如果已知兩顆衛星位置和到同一個用戶距離，則該用戶將同時在兩個球面上，即在兩個球面相交的圓周上或在兩個球面相切的切點上；進一步，如果已知第三顆衛星的位置及其與同一用戶的距離，則第三個球面將和上述圓周相交於兩個點， 再由對稱性知這兩個點分別位於南北半球，從而用戶可以確定自身位置。

衛星導航系統在定位精度方面存在固有的弊端。如上文所說，在測量值與真實值之間存在時鐘誤差，這是由於衛星鐘差與接收機鐘差所導致的。 此外衛星導航定位中依然存在很多其他誤差， 以 GPS 為例，按照誤差性質可以分為系統誤差和偶然誤差，系統誤差包括星曆數據誤差， 衛星鐘差， 大氣電離層和對流層對電磁波信號造成的折射誤差等，其中星曆數據誤差作為起算誤差是重要的誤差來源，主要指衛星空間的位置計算與實際分布的差值， 決定於軌道模型、 觀測方式等條件，目前 GPS 衛星軌道誤差的等效誤差在 5~40m。

偶然誤差包括接收機地面環境引起的多路徑效應誤差等，多路徑效應誤差是指接收機除接收目標信號之外，還會接收天線周圍經過一次或多次反射的信號， 引起測量值偏離真值，誤差大小與接收機具體環境有關，從幾厘米到十幾厘米不等。上述這些偏差導致了衛星導航系統在定位精度方面存在固有的弊端。

 什麼是量子導航？

量子定位系統（Quantum Positioning System, QPS） 概念最早是於 2001 年由美國麻省理工學院（MIT） 電子學研究實驗室從事博士後研究的 Giovannetti Vittorio 博士、 Mac-cone Lorenzo 博士與從事量子計算和量子通信研究的機械工程學教授 Lloyd Seth 在他們發表的一篇名為《Quantum- Enhanced Positioning and Clock Synchronization》 文章中提出的。

在上一節對傳統定位系統的定位原理和存在問題的分析中已經指出，衛星導航通過向在軌衛星發射電磁波脈衝並檢測信號到達接收機的時間延遲來實現定位的方式導致了偽距誤差。與衛星導航採用的電磁波信號不同， QPS 的測距信號是具有量子特性的脈衝信號， 這種信號是由沒有電荷和質量的光子組成。 通過量子理論與量子力學，我們知道光量子具有奇特的量子糾纏和量子壓縮特性。

目前主要發展的兩種量子導航定位系統有星基量子導航系統和量子慣性導航系統。

MIT 的 Giovannetti V 博士最早提出的脈衝式量子定位思想可以通過下面的理性化實驗結構示意圖進行說明。

理想化實驗結構示意圖

圖中 Alice 作為待測點，Detectors 是由已知不同位置的 M 個檢測器組成的信號接收點，在實驗過程中， Alice 向每一個檢測器發送相同頻譜(脈衝的帶寬)以及功率(每個脈衝所包含的光子數 N)的脈衝，因此各組脈衝具有頻率糾纏性及強相關性，通過測量信號到達各檢測器的平均時間可以獲取待測點 Alice 的具體位置。 在相同的理想通信通道中， M 個檢測器記錄下的到達時間具有相互糾纏特性，這為平均時間的計算提高了√M倍精度，提升因子√M是與相同帶寬條件下的非頻率糾纏脈衝相比得到的；每組脈衝均包含了 N個糾纏態光量子，在測量時可以獲得√N的精度提高，提升因子√N是與量子數目同樣為 N 的經典相干態下的脈衝相比得到的；由此可知，在 Alice 端發射 M 組頻率相互糾纏且結合了光子壓縮的脈衝信號進行關聯測量，綜合後最終可獲得√MN 倍的精度提高。

自 MIT 提出脈衝式量子定位以來，作為導航系統中重要的定位、 授時功能的體現， 基於量子糾纏及量子壓縮特性的光子脈衝測距和測時等相關研究就不斷被報導。

2002 年， Giovannetti V 博士在提出 QPS 概念的同時，設計並驗證了基於量子時鐘同步消色散的「Conveyor belt clock synchronization」方案， 證明在光量子可能傳播的一般條件下，時鐘的同步性不受分散介質存在的干擾，提高了量子定位精度。

2004 年美國馬里蘭大學 Valencia A 等人報告了一項關於遠距離二階關聯時鐘同步的驗證實驗，通過半波片改變 BBO 晶體製備出的糾纏態光源中的信號光和閒置光的方向，經過不同光纖路徑，得到不同傳輸路徑的精確時間差，最終得到皮秒級高精度時域。

2008 年， Villoresi P 等人建立了從低軌道（LEO） 衛星到地球上接收機的量子通信信道，用以研究發射脈衝的光學損耗和定時問題， 通過鏈路預算方程，得到單向鏈路損耗預計低於 20dB， 從而實現單光子信道的狀態，在實驗基礎上明確地證明了基於衛星的量子通道的可行性。

2011 年， Ben-Av R 等人在發表的文章中指出量子時鐘只有在 N 粒子限制在 W 態的情況下才能實現真正同步，並引入 W 的泛化狀態——Z 態，設計出一個最優化的多方位量子時鐘同步方案，但方案中 W 態的製備太過困難，目前未能實現。

2012 年， Lopez-Mago D 等人利用麥可干涉儀對共線下轉換光子對的干擾進行了完整描述，在試驗中，通過改調整干涉儀中反射鏡的位置與角度來改變糾纏光子對的傳輸路徑，經過偏振分束器與帶通濾波器的分析計算，得到相干長度達到 3.3µm。

以上所列舉的基於量子力學理論建立的量子導航定位系統與傳統衛星導航類似，需要發射信號來實現用戶的四維坐標的定位，所不同的是 QPS 採用的是相干關聯的量子信號， 仍舊屬於有源定位系統。

為什麼要研究量子導航？

無論是有源量子定位系統還是無源量子定位系統，與傳統有源衛星導航和慣性導航系統相比均具有更加精確的測量精度。

對於基於量子糾纏和量子壓縮的星基空天量子定位系統來說，頻率相干關聯的多脈衝信號及信號中大量壓縮的光子為用戶時空坐標帶來了√MN的提高，突破了受限于海森堡測不準原理的傳統測量極限。在量子理論不斷發展的今天，其測量技術也不斷改進與完善，可以預測今後的量子測量精度會取得進一步突破。

就無源量子定位系統而言，由於其由量子陀螺儀、量子加速度計、原子時鐘等部分組成，基於原子物質波的干涉效應與原子自旋的傳感測量具有高靈敏度和極低零偏漂移的優異特點，與傳統慣導系統相比，測量精度誤差更小，對載體姿態改變的檢測靈敏度更高。 隨著相關量子理論及誤差分析模型的完善，該 QPS 技術將享有其作為新一代慣性導航系統的廣闊應用空間。

另外，由於量子具有測不準原理與不可克隆原理，即未知的量子態無法進行測量，且量子態不可被精確複製。 此外， 將量子定位系統與量子密鑰協議結合，在實現信息保密處理的同時， 提高了量子定位系統的安全性。

基於以上幾點， 在 QPS 光子脈衝的傳輸過程中，即使丟失或被竊取了部分糾纏態光子，竊聽者所得的測量結果是隨機的，無效的， 無法根據這些光子來獲取定位點的位置坐標。 此外， 一旦竊聽者對傳輸信號進行截獲，則破壞了原有的量子態， 由於量子糾纏的非局域性和關聯特性， 系統會得到違反初始量子信息對應的計算結果， 可以用來檢測通道是否被監聽；同時， 系統可以通過更換通信頻率或通道而繼續正常工作。

而基於量子慣性器件的新一代慣導技術因其本身就是無源定位系統，不依賴外界信息，隱蔽性好，其保密性與安全性具有無可比擬的優勢，並且隨著降噪與抗干擾技術的提高，該系統的自主導航能力將得到進一步增強。