2018年11月13日 | 量子技术革GPS的命：不依赖卫星就可以进行导航

2018-11-13

今天的大多数导航依赖GPS之类的全球导航卫星系统(GNSS)，这类系统可以发送和接收来自绕地球运行的卫星的信号。量子加速度计是一个独立的系统，不依赖任何外部信号。

这一点尤其重要，因为卫星信号可能因高层建筑物等阻碍因素而无法使用，或者可能被堵塞、模仿或拒绝，因而无法进行准确导航。卫星服务无法使用一天会让英国损失10亿英镑。

　　现在，英国的一支科研团队首次在国家量子技术展示会上演示了一种可移动的独立量子加速度计，这次盛会展示了英国国家量子技术计划所取得的技术进步，为此英国政府五年来已投入2.7亿英镑。

　　该设备由伦敦帝国理工学院和M Squared建造，由国防科学与技术实验室的未来感知与态势感知计划、工程与物理科学研究委员会以及英国创新组织三方提供资金来源。它是英国第一个商业上可行的量子加速度计，有望用于导航。

　　加速度计测量物体的速度随时间的推移发生怎样的变化。再结合物体的起点，就能计算出新的位置。

　　使用超冷原子的精度

　　加速度计已存在了一段时间，目前应用于在手机和笔记本电脑之类的技术中。但是如果没有外部参照，这些设备无法在较长时间内保持准确度。

加速度计的特写镜头

　　量子加速度计依赖测量超冷原子的特性而获得的精度和准确度。在极低的温度下，原子表现出“量子”的行为方式，工作起来既像物质又像波。

　　来自帝国理工学院冷物质中心的约瑟夫?科特(Joseph Cotter)博士说：“原子处于超冷状态时，我们必须用量子力学来描述其运动方式，这让我们得以制造出所谓的原子干涉仪。”

　　随着原子不断移动，它们的波特性受到车辆加速度的影响。使用“光学标尺”，加速度计就能够非常准确地测量这些微小变化。然后借助几个相对简单的方程式，就可以计算出你的准确位置。

　　为了使原子足够冷，并且在响应加速度时探测原子的特性，就需要能够精确控制的非常强大的激光器。

　　让英国处于即将到来的量子时代的前沿

　　M Squared的量子技术科学家约瑟夫?汤姆(Joseph Thom)博士说：“我们致力于使冷原子量子传感器实现商业化，作为这项工作的一部分，我们开发了一种用于冷原子传感器的通用激光器系统，我们已经将该系统部署在我们研制的量子重力仪中。这种激光器现在还用于我们与帝国理工学院一同研制的量子加速度计。该激光器系统结合了高功率、超低噪声和频率可调性，可以对原子进行冷却，并提供用于加速度测量的光学标尺。”

　　目前的系统是为大型车辆的导航而设计的，比如船舶、甚至列车。然而，该原理还可以用于基础科学研究，比如寻找暗能量和引力波，帝国理工学院的团队还在研究这个领域。

　　帝国理工学院冷物质中心的埃德?海因兹(Ed Hinds)教授说：“我认为让人极其兴奋的是，这种量子技术正走出基础科学实验室，应用于更广阔的实际问题，而这一切完全得益于只能从这种量子系统才能获得的极好的灵敏度和可靠性。”

　　但这不是你会在智能手机中发现的技术：本周在伦敦展示的原型系统大概有3英尺宽，而且价格非常昂贵。

　　此外，它目前只能在一个平面上进行测量。研究人员表示，他们很快就能在三个平面上进行测量，使其成为完全独立的超级罗盘，可以在任何时候告诉你它的准确位置。

　　不过它确实是物理学理论的第一个实际原型。据推测，研究团队的计划是逐渐减小尺寸、降低成本，最终让它应用于像自动驾驶汽车这样的系统。

　　M Squared的创始人兼首席执行官格雷姆?马尔科姆(Graeme Malcolm)博士说：“这种商业上可行的量子设备即加速度计将让英国处于即将到来的量子时代的前沿。实现量子导航潜力的这个合作项目表明了英国在结合工业界和学术界方面拥有独特的优势――立足于科学前沿的进步，走出实验室，打造旨在改善社会的实际应用。”

量子技术 GPS

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