Popular science work
想象一下，潛艇無需浮出水面即可重新定位并保持準確航向；飛機不受GPS信號中斷的影響，安全且精準地在天空翱翔；應急響應人員在煙霧彌漫的建筑物或地下隧道中精準定位每個生命跡象；自動駕駛汽車游刃有余地穿梭于鋼鐵叢林間……
澳大利亞對話網站近日報道，上述看似科幻的場景，有望在方興未艾的量子傳感器技術的催化下變為現實。量子傳感器將開啟導航新時代，不僅能引導人們活動的軌跡，也在重構人們與世界的連接方式，拓展人類對宇宙的探索。
衛星導航強大卻脆弱
全球定位系統（GPS）等衛星導航系統已經深深融入現代生活中，成為人們不可或缺的基礎設施，維系著現代文明有序運轉的神經脈絡。它不僅為人們的日常出行提供導航，還支撐著從金融交易到電力調度等關鍵領域。股市的毫秒級交易依賴衛星授時，龐大的電網系統也需要其實現精準平衡。在廣袤的田野間，自動駕駛拖拉機沿著衛星劃定的軌跡耕作；牧場上，電子圍欄通過定位信號聚攏散養的牛羊；而當危機發生時，應急車輛呼嘯駛過的每一條最優化的路徑，也打上了導航衛星的烙印。
然而，這諸多便利背后，潛藏著衛星導航脆弱的缺點。衛星信號可能會因為戰爭、恐怖主義或隱私等問題而受到干擾。
更不可控的威脅來自變幻莫測的太空。周期性爆發的太陽風暴會將大量帶電粒子拋向地球，這些宇宙洪流沖擊磁場時，會導致衛星信號如風中之燭般飄搖。雖然多數擾動轉瞬即逝，但強風暴可能造成重大破壞。
這種脆弱性帶來的代價遠超想象。研究顯示，GPS信號發生故障一天，就會給美國造成10億美元的經濟損失。而更可怕的影響在于蝴蝶效應——當導航信號消失，從物流調度到災害預警，多個關聯系統將如多米諾骨牌般接連崩塌，給人類生命財產安全造成重大損失。
此外，衛星導航信號無法滲透到水下或地下空間，在摩天大樓林立的城市，GPS信號有時也像無頭蒼蠅般四處碰壁——谷歌地圖上飄忽不定的藍點，正是現代人熟悉的“數字迷航”的生動體現。
打破“數字迷航”困局
在某些場景下，衛星導航信號不佳，甚至難以企及，而量子傳感器有望打破“數字迷航”的困局。
芬蘭國家技術研究中心微電子和量子技術部負責人佩卡·伊科寧解釋說，量子傳感器是一種利用量子力學原理來探測和測量微觀世界的新型工具。它們利用量子疊加態和量子糾纏等特性，能夠對電流、電場、磁場、光和時間等多種物理特性進行高靈敏度測量，具有遠超傳統傳感器的能力。
伊科寧說，量子傳感器之所以如此靈敏，是因為量子粒子會對周圍環境中的微小變化作出反應。與可能錯過微弱信號的普通傳感器不同，量子傳感器非常擅長檢測時間、重力或磁場等事物的微小變化，而這種靈敏度和準確度對于穩健的導航系統至關重要。
一些研究機構和企業正在研制新型量子傳感器，如澳大利亞斯威本科技大學創新星球研究所、德國科技集團博世量子傳感器公司等。這種傳感器可測量地球不變的磁場，因此不易受到影響，從而能夠在空中、道路和水下提供超精確導航。
據德國《世界報》網站稍早時間報道，博世量子傳感器公司表示，給飛機導航時，這種傳感器可測量地球磁場，沿著磁場引導飛機飛行，這時就不需要GPS信號。除補充或替代GPS系統外，衛星信號覆蓋不佳的地球南北兩極也是此類傳感器的用武之地。
小型化和降成本是關鍵
創新星球研究所所長艾莉森·基利暢想，未來的導航系統將集成量子傳感器，通過測量地球磁場和引力場提高定位精度，利用量子陀螺儀精準指向，并通過緊湊的原子鐘和互聯的計時系統實現卓越計時。
量子導航藍圖令人神往，但量子傳感器與量子計算一樣，不可避免地會面臨重大的設計挑戰。關鍵障礙包括降低量子傳感器的尺寸和功率需求、提高量子傳感器在受控實驗室環境之外的穩定性、將其集成到現有導航系統中等。
博世量子傳感器公司首席執行官卡特琳·科貝表示，目前，量子傳感器的大小與智能手機相當。他們致力于為其“瘦身”，目標是將其縮小至計算機芯片大小。首批產品預計于本世紀30年代初上市。
成本則是另一個障礙。現有量子設備既昂貴又復雜，降低量子傳感器的制造成本勢在必行，這也意味著其廣泛采用仍需數年時間。
如果能夠克服這些挑戰，量子導航將如同量子力學一樣，以微妙而深刻的方式重塑人們的日常生活。
來源：科技日報
