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技经观察|量子定位技术能否取代GPS?

文章作者:admin 上传时间:2020-06-10

近年来,量子信息技术发展突飞猛进,在先进计算、探测传感等众多领域展现了极大的应用潜力。其中,量子定位技术(Quantum Positioning)在理论上具备高精度、保密性和抗干扰的优势,且量子纠缠不受限于空间跨度和环境的约束。因此,量子定位技术有望颠覆传统的定位和导航技术。2020年4月,在美国AFCEA组织与与乔治梅森大学联合举办的线上活动中,美国国防部国防研究与工程部主任马克·刘易斯表示,量子科学中最有希望的应用是“实现定位、导航和计时,成为替代GPS系统的选项”。

GPS(Global Positioning System,全球定位系统)是美国国防部研制的一种全天候的,空间基准的导航系统,可为全球及近地空间用户免费提供连续且精确的定位、运动数据及授时,历经多年发展已相对成熟稳定。目前,太空中共有24颗GPS卫星,为全球45亿用户提供定位和授时服务。但是,近年来GPS攻击事件的频发、GPS授时存在安全隐患,以及定位服务局限于电磁信号的接收条件。随着电磁频谱资源的日趋紧张,美国等国家的国防部门已开始寻求GPS系统的替代方案。

在此背景下,量子定位技术应运而生。量子纠缠天生存在高精度、保密和抗干扰的优势,且不会受到空间跨度的限制。因此,量子定位技术成为最有希望替代卫星定位的方案,极有可能在未来提供高精度、抗干扰的定位服务。然而,量子信息技术发展仍处于探索阶段,受限于量子定位技术架构不完整、量子纠缠距离限制以及量子态不稳定且保存时间较短等因素,量子定位技术仍需经历较长的发展历程。

近年来,以GPS、北斗、格洛纳斯及伽利略为代表的卫星导航系统不断发展,但其安全问题亦与日俱增。以美国GPS为参考,当前GPS最常遇到的攻击为拒绝服务攻击(包括GPS欺骗)和信号干扰。GPS欺骗者会假冒GPS卫星的信号发送虚假数据,从而使终端设备无法获得准确的位置或根本无法获得任何位置信息。2011年12月,伊朗通过GPS欺骗的方法,将一架在伊朗领空内飞行的美国RQ-170无人机诱骗降落至伊朗东北部城市卡什马尔。

过去,GPS欺骗攻击往往与国家黑客或电子战部队联系在一起。而目前,GPS欺骗、干扰或服务中断事件已经蔓延至船运、航空等民用领域。根据美国海岸警卫队全球GPS事件状态报告,2019年全球包括埃及塞得港、苏伊士港、利比亚港等多个港口都发生过类似的GPS攻击事件,严重威胁人员生命财产和交通运输安全。

目前,尚无任何技术可以宣称绝对的安全可靠。除去系统架构中可能存在的潜在漏洞和不稳定性,终端厂商的制造水平参差不齐同样会对导航定位系统的稳定性与可靠性构成潜在威胁。2020年3月,美国空军作战司令部司令詹姆斯·霍姆斯透露,美军U-2侦察机已将中国的北斗卫星导航系统作为备用系统,以供飞机在GPS失效时获得导航信息。

在定位精度方面,卫星定位技术基于经典物理学的实现方式受到信号功率、带宽和传播时延的限制,测量精度很难进一步提高。此外,电磁信号易受到大气电离层和对流层的干扰;在城市、山区等复杂环境下,由于建筑物、树木、地形的遮蔽作用,信号存在非直线传播,导致不同环境下的导航效果存在较大差异。

在水下、隧道、掩体、室内等环境中,卫星定位信号无法穿透水、建筑物和其他实体,从而无法进行卫星导航。在这些场景下,通常使用惯性导航、基站定位等方式进行粗略定位,误差较大。以惯性导航为例,据英国国防科学技术实验室(Dstl)称,如果一艘潜艇在水下作业时仅依赖加速度变化进行运动测算,那么24小时内的定位漂移误差将达到1公里。

为解决卫星定位技术所面临的安全、准确度和使用条件限制问题,量子定位技术应运而生。

量子定位的概念最早由美国麻省理工学院研究人员于2001年提出,通过计算证明量子纠缠和量子压缩态可进一步提高定位精度。随着近年来量子技术的不断发展,各类研究成果逐渐浮现。

根据公开资料整理,量子定位技术的实现路径主要有四种:一是将量子信息与卫星定位技术进行结合;二是脉冲式量子定位;三是利用地磁场的亚原子效应进行定位,即“量子罗盘”;四是量子惯性导航。

将量子信息技术与卫星定位技术进行结合的方式仍需利用卫星定位信号,并借助量子纠缠特性提高信号精度和传播效率。2020年4月,美国亚利桑那大学与几位中国学者合作,展示了射频光子传感和量子计量这两种技术的组合如何为GPS定位提供前所未有的精度水平。研究人员使用光电转换器将电信号转换为光子信号,然后使用量子纠缠特性将光子信号同步,大幅提高传感器的灵敏度。

脉冲式量子定位由美国麻省理工学院(MIT)电子学研究实验室的Giovannetti博士、Maccone博士和Lloyd教授于2001年提出。在脉冲信号中,光量子可以被压缩,且这些处于纠缠态的光子的频率二阶关联,赋予了信号超乎想象的强相关性和高密集程度,使得脉冲能定速、成束地到达检测点,这为测时和测距提供了新方法,且对于测量精度的提高具有重要意义。

“量子罗盘”概念由英国国防科学与技术实验室(Dstl)和英国物理实验室(NPL)于2014年提出。该种量子定位方案中,研究人员使用激光将原子(或离子)俘获并激发至量子态。这些原子(或离子)对电磁扰动极其敏感。通过测量设备与地球间相对运动产生的电磁扰动对这些原子(或离子)的影响,能以极高精度跟踪设备的运动状态。

量子惯性导航则是利用了敏感的量子态原子对外界的扰动进行测量,推算出物体运动。研究人员发现,激光可以捕获放置在真空中的原子,并将原子冷却到接近绝对零度。原子一旦冷却,就会达到容易被外力干扰的量子态。随后,可以使用另一束激光追踪量子态受到的扰动,从而计算外力的大小,推算出物体运动的细微变化。英国在2016年借助此项技术测试了潜艇在无卫星定位信号下的惯性导航,24小时内的定位漂移误差仅为1米,而使用传统加速度计的漂移误差达到1公里。

随着量子信息技术不断发展,高性能、大规模的量子设备日趋成熟,如远距离量子保密通信、多比特量子计算机、量子存储器、高性能纠缠源。量子定位技术将在未来凭借其高精度、抗干扰、保密性强和对场景的强适应性等特点在众多定位技术中脱颖而出,极大弥补现有定位技术在精度、安全性等方面存在的短板,在民用和军用领域展现出极大的应用潜力。

目前,仍需要进行以下准备工作:1.构建完整的体系框架。目前,量子定位和导航技术还在停留于实验室阶段,不具备完整的系统框架。理论上,完整的系统框架应包括量子纠缠准备方案、卫星基线对的设置、角反射器、HOM(HONG-OU-MANDEL)干涉仪、构象计数器、抗噪声仪措施、多用户协议等;2.维护量子信号的纠缠状态。量子定位技术可能需要长距离传输量子信号,而以目前的技术进展,量子纠缠距离、连贯性和稳定性都存在一定的局限性。3.量子定位技术与经典定位技术的融合。卫星定位、惯性导航等技术经历较长发展过程已较为成熟,而量子定位系统的发展需要一定的时间。

现阶段,没有任何技术能够提供类似于GPS等卫星定位系统的精度和全天候、全地域工作能力,并在使用成本上与GPS相提并论。未来,量子定位技术与经典定位技术将在很长一段时间内并存。

[1]宋培帅,马静,马哲,张淑媛,司朝伟,韩国威,宁瑾,杨富华,王晓东.量子定位导航技术研究与发展现状[J].激光与光电子学进展,2018,55(09):29-43.

[3]葛悦涛,蒋琪,文苏丽,朱爱平.量子定位系统技术发展及其对导弹武器发展的影响[J].导航定位与授时,2014,1(02):7-10.

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[6]Paul Marks.Quantum positioning system steps in when GPS fails[Z].New Scientist,2014.

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