科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞
想象一下，潛艇無(wú)需浮出水面即可重新定位并保持準(zhǔn)確航向；飛機(jī)不受GPS信號(hào)中斷的影響，安全且精準(zhǔn)地在天空翱翔；應(yīng)急響應(yīng)人員在煙霧彌漫的建筑物或地下隧道中精準(zhǔn)定位每個(gè)生命跡象；自動(dòng)駕駛汽車(chē)游刃有余地穿梭于鋼鐵叢林間……
澳大利亞對(duì)話網(wǎng)站近日?qǐng)?bào)道，上述看似科幻的場(chǎng)景，有望在方興未艾的量子傳感器技術(shù)的催化下變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。量子傳感器將開(kāi)啟導(dǎo)航新時(shí)代，不僅能引導(dǎo)人們活動(dòng)的軌跡，也在重構(gòu)人們與世界的連接方式，拓展人類(lèi)對(duì)宇宙的探索。
衛(wèi)星導(dǎo)航強(qiáng)大卻脆弱
全球定位系統(tǒng)（GPS）等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)深深融入現(xiàn)代生活中，成為人們不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，維系著現(xiàn)代文明有序運(yùn)轉(zhuǎn)的神經(jīng)脈絡(luò)。它不僅為人們的日常出行提供導(dǎo)航，還支撐著從金融交易到電力調(diào)度等關(guān)鍵領(lǐng)域。股市的毫秒級(jí)交易依賴(lài)衛(wèi)星授時(shí)，龐大的電網(wǎng)系統(tǒng)也需要其實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)平衡。在廣袤的田野間，自動(dòng)駕駛拖拉機(jī)沿著衛(wèi)星劃定的軌跡耕作；牧場(chǎng)上，電子圍欄通過(guò)定位信號(hào)聚攏散養(yǎng)的牛羊；而當(dāng)危機(jī)發(fā)生時(shí)，應(yīng)急車(chē)輛呼嘯駛過(guò)的每一條最優(yōu)化的路徑，也打上了導(dǎo)航衛(wèi)星的烙印。
然而，這諸多便利背后，潛藏著衛(wèi)星導(dǎo)航脆弱的缺點(diǎn)。衛(wèi)星信號(hào)可能會(huì)因?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)、恐怖主義或隱私等問(wèn)題而受到干擾。
更不可控的威脅來(lái)自變幻莫測(cè)的太空。周期性爆發(fā)的太陽(yáng)風(fēng)暴會(huì)將大量帶電粒子拋向地球，這些宇宙洪流沖擊磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)如風(fēng)中之燭般飄搖。雖然多數(shù)擾動(dòng)轉(zhuǎn)瞬即逝，但強(qiáng)風(fēng)暴可能造成重大破壞。
這種脆弱性帶來(lái)的代價(jià)遠(yuǎn)超想象。研究顯示，GPS信號(hào)發(fā)生故障一天，就會(huì)給美國(guó)造成10億美元的經(jīng)濟(jì)損失。而更可怕的影響在于蝴蝶效應(yīng)——當(dāng)導(dǎo)航信號(hào)消失，從物流調(diào)度到災(zāi)害預(yù)警，多個(gè)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)將如多米諾骨牌般接連崩塌，給人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大損失。
此外，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)無(wú)法滲透到水下或地下空間，在摩天大樓林立的城市，GPS信號(hào)有時(shí)也像無(wú)頭蒼蠅般四處碰壁——谷歌地圖上飄忽不定的藍(lán)點(diǎn)，正是現(xiàn)代人熟悉的“數(shù)字迷航”的生動(dòng)體現(xiàn)。
打破“數(shù)字迷航”困局
在某些場(chǎng)景下，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)不佳，甚至難以企及，而量子傳感器有望打破“數(shù)字迷航”的困局。
芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心微電子和量子技術(shù)部負(fù)責(zé)人佩卡·伊科寧解釋說(shuō)，量子傳感器是一種利用量子力學(xué)原理來(lái)探測(cè)和測(cè)量微觀世界的新型工具。它們利用量子疊加態(tài)和量子糾纏等特性，能夠?qū)﹄娏鳌㈦妶?chǎng)、磁場(chǎng)、光和時(shí)間等多種物理特性進(jìn)行高靈敏度測(cè)量，具有遠(yuǎn)超傳統(tǒng)傳感器的能力。
伊科寧說(shuō)，量子傳感器之所以如此靈敏，是因?yàn)榱孔恿Ｗ訒?huì)對(duì)周?chē)h(huán)境中的微小變化作出反應(yīng)。與可能錯(cuò)過(guò)微弱信號(hào)的普通傳感器不同，量子傳感器非常擅長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間、重力或磁場(chǎng)等事物的微小變化，而這種靈敏度和準(zhǔn)確度對(duì)于穩(wěn)健的導(dǎo)航系統(tǒng)至關(guān)重要。
一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在研制新型量子傳感器，如澳大利亞斯威本科技大學(xué)創(chuàng)新星球研究所、德國(guó)科技集團(tuán)博世量子傳感器公司等。這種傳感器可測(cè)量地球不變的磁場(chǎng)，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(dǎo)航。
據(jù)德國(guó)《世界報(bào)》網(wǎng)站稍早時(shí)間報(bào)道，博世量子傳感器公司表示，給飛機(jī)導(dǎo)航時(shí)，這種傳感器可測(cè)量地球磁場(chǎng)，沿著磁場(chǎng)引導(dǎo)飛機(jī)飛行，這時(shí)就不需要GPS信號(hào)。除補(bǔ)充或替代GPS系統(tǒng)外，衛(wèi)星信號(hào)覆蓋不佳的地球南北兩極也是此類(lèi)傳感器的用武之地。
小型化和降成本是關(guān)鍵
創(chuàng)新星球研究所所長(zhǎng)艾莉森·基利暢想，未來(lái)的導(dǎo)航系統(tǒng)將集成量子傳感器，通過(guò)測(cè)量地球磁場(chǎng)和引力場(chǎng)提高定位精度，利用量子陀螺儀精準(zhǔn)指向，并通過(guò)緊湊的原子鐘和互聯(lián)的計(jì)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)卓越計(jì)時(shí)。
量子導(dǎo)航藍(lán)圖令人神往，但量子傳感器與量子計(jì)算一樣，不可避免地會(huì)面臨重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。關(guān)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外的穩(wěn)定性、將其集成到現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)中等。
博世量子傳感器公司首席執(zhí)行官卡特琳·科貝表示，目前，量子傳感器的大小與智能手機(jī)相當(dāng)。他們致力于為其“瘦身”，目標(biāo)是將其縮小至計(jì)算機(jī)芯片大小。首批產(chǎn)品預(yù)計(jì)于本世紀(jì)30年代初上市。
成本則是另一個(gè)障礙。現(xiàn)有量子設(shè)備既昂貴又復(fù)雜，降低量子傳感器的制造成本勢(shì)在必行，這也意味著其廣泛采用仍需數(shù)年時(shí)間。
如果能夠克服這些挑戰(zhàn)，量子導(dǎo)航將如同量子力學(xué)一樣，以微妙而深刻的方式重塑人們的日常生活。
