量子导航定位系统离我们有多远

       视觉中国供图

2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所作出的贡献。光子纠缠再次成为物理学界内外议论的焦点。

包括光子纠缠在内的量子纠缠，已经不是新闻，早在1935年就有人提出。作为测量工作者，我们关注的是以光子纠缠为代表的量子信息科学对导航定位的影响。

分子、原子、光子等构成了物质的基本单元，统称为量子。纠缠是一种纯粹的量子现象。处于量子纠缠中的粒子，无论相隔多远，当其中一个粒子的状态发生变化，另一个将立刻受到影响。这种强烈的相关性似乎超越了空间和时间，一旦知道一个粒子自旋，就能马上确定另一个粒子自旋，也许正是基本粒子之间的这种深层量子联系，将空间和时间连接在了一起。

导航定位技术从天体导航、地文导航、地磁场导航，到近现代的惯性导航、无线电导航、声呐导航、光学导航，已经发展到人们熟悉的卫星导航。作为星基无线电导航，卫星导航虽然获取实现米级的空间位置信息，但抗干扰性较差，于是人们提出了量子导航定位系统。量子导航定位与量子通信、量子计算一样，都是量子信息科技发展的重要方向。

以光子为例，光子纠缠对（两个光子纠缠）可用于导航定位，从卫星上发出，也可从地面发出，接收者可以在地面或者在卫星上。

量子导航定位系统就是借助量子卫星获得卫星与地面之间传递光子纠缠对的时间差，建立包含用户坐标的卫星和地面间的距离方程，确定地面用户的空间坐标。科研人员提出了用3颗或6颗卫星建立量子导航定位系统的方案，从卫星发射、运行和维护成本上看，量子导航定位系统具有优越性。

量子导航定位系统可分为有源导航定位和无源导航定位两大类。有源导航定位采用收发量子信号的方式定位，如果用光子纠缠对，实际上就是收发特殊的光。无源导航定位采用量子传感器进行导航定位，不向外界发送信号。有源导航定位使用的范围较大，无源导航定位只能在传感器的作用范围内使用。包括量子导航定位系统在内的有源导航定位，需要捕获、跟踪和瞄准系统，也需要精密的时钟系统配合。

2016年，通过发射运行于高度500千米、倾角97.37°轨道的“墨子”号量子卫星，我国已经实现了量子通信，还建立了新疆天文台南山观测站，以及位于青海省德令哈市、河北省兴隆县和云南省丽江市的4个量子卫星通信地面站，为星基量子导航定位系统打下了基础。

我国在量子纠缠操纵方面一直处于国际领先地位，已经实现了首次洲际量子通信，相距7600公里的中国和奥地利完成量子保密通信，并发表了一些高水平的论文，这为我国在量子导航定位系统的研发提供了优势。

目前，我国量子导航定位系统的研究还处于起步阶段，只有经历基础研究、关键技术研发、工程化集成与验证等阶段，才能实现商业化应用，像卫星导航那样普及到广大用户手中。

（作者系中国测绘科学研究院高级工程师）