革命性突破：量子导航即将成为现实

如今，典型的导航级运动传感器只有柚子大小，与 GPS 信号一起帮助船舶、飞机和车辆行驶。这意味着它们始终需要卫星连接才能发挥作用，但一种新型的 '量子罗盘 '最终可以让我们完全摆脱卫星的束缚。

利用量子技术进行导航的想法并不新颖。这种技术依赖于被称为原子干涉仪的传感器，它可以跟踪位置和运动，而无需 GPS 卫星。但问题是，要达到所需的导航精度，必须有一个巨大的空间来容纳六个大型原子干涉仪--大到足以填满整个房间。不过，这种情况正在改变。

桑迪亚国家实验室（Sandia National Labs）的一个研究小组开发出了超小型光学芯片，可以为这些量子导航传感器提供动力，而芯片的体积却很小，基本上可以放置在任何地方。这就是用微小的集成光子电路取代原子干涉仪通常所需的笨重激光系统。

科学家们说，减少对全球定位系统的依赖非常重要，因为卫星信号可能会被干扰或欺骗。这会给军事行动或自动运输系统带来极大的麻烦。

'通过利用量子力学原理，这些先进的传感器在测量加速度和角速度方面提供了无与伦比的精确度，即使在 GPS 不存在的地区也能实现精确导航，'桑迪亚科学家李钟民（Jongmin Lee）说。

他们为实现上述目标而开发的一个关键部件是一个调制器，它可以精确控制和组合来自一个光源的多个激光频率，从而消除了堆叠单个激光器的需要。

除了结构更紧凑外，这种芯片还具有更强的抗振动和抗冲击能力。这种可靠性可以让量子传感器部署在各种具有挑战性的环境中。

还有成本因素。这些房间大小的量子导航系统不仅体积庞大，而且价格昂贵：一个激光调制器的价格就超过 1 万美元。不过，通过利用半导体制造技术大规模生产芯片，桑迪亚团队希望他们能大幅降低成本，从而提高可负担性。

桑迪亚科学家阿肖克-科迪加拉（Ashok Kodigala）说：“我们可以在一个8英寸的晶圆上制造数百个调制器，甚至在一个12英寸的晶圆上制造更多的调制器。”这些应用还可以远远超出导航和全球定位系统备份的范围。研究小组正在探索利用量子传感器探测微妙的重力变化，以测绘地下资源和结构。这种紧凑型光学芯片在激光雷达、量子计算和光通信等领域也大有可为。

这些发现非常重要，因此作为封面故事发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。

这项新技术的加速度和角速度测量精度远远超过了目前的导航系统。这是因为它利用量子现象进行了极其灵敏的测量。在战区（就像乌克兰每天发生的那样），电子战部队能够干扰或欺骗卫星信号，从而扰乱部队的行动和作战，或大大降低 GPS 或全球轨道导航卫星系统制导武器的精确度。

但是，如果桑迪亚实验室的科学团队成功实现其目标，那么目前使用的大多数大型昂贵的精密导航系统都将被新的、更精确、成本更低的、计算机芯片大小的量子惯性测量单元所取代。无人机、弹药、飞机、导弹和许多其他武器系统可能不再那么依赖卫星导航信号来准确了解它们在地面上的位置。

除导航外，该技术的微型化和成本降低也使其对商业部门具有吸引力。各行各业的公司都能从这种新设备中受益，因为它具有广泛的潜在应用，如探测地下空洞、自然资源定位和开发更先进的光通信系统。