美军太空飞机将测试量子导航技术

参考消息网8月16日报道 澳大利亚“对话”网站8月14日刊登一篇文章，题为《美军太空飞机将测试GPS导航的量子替代方案》，作者是英国伯明翰大学物理与天文学院数字孪生助理教授塞缪尔·勒卢什，编译如下：

美军的太空飞机X-37B轨道试验飞行器，将于8月21日开启第八次太空飞行。X-37B在太空的活动大多是保密的，但它在一定程度上充当着前沿试验平台的角色。

其中一项试验是用量子惯性传感器替代全球定位系统（GPS）导航的可行性试验。

像GPS这样的卫星导航系统在我们的日常生活中无处不在，从智能手机地图到航空和物流领域都有它的身影。但GPS并非在所有地方都能使用。这项新技术可能会彻底改变航天器、飞机、船只和潜艇在GPS无法使用或信号受干扰环境中的导航方式。

在太空中，特别是在地球轨道之外，GPS信号会变得不可靠，甚至完全消失。水下也是如此，潜艇根本无法接收GPS信号。即便是在地球上，GPS信号也可能被干扰（屏蔽）、欺骗（让GPS接收器误以为身处其他位置）或禁用（比如在冲突期间）。

这使得无GPS导航成为一项重大挑战。在这类场景中，拥有不依赖任何外部信号就能运行的导航系统变得至关重要。

传统的惯性导航系统（INS）使用加速度计和陀螺仪来测量飞行器的加速度和旋转情况，它们确实能实现自主导航，因为可以通过跟踪飞行器随时间的运动来估算位置。试想一下，你闭着眼睛坐在车里：仍然能感觉到转弯、停车和加速，大脑会整合这些信息，进而推测出你在不同时间的位置。

然而，如果始终没有视觉线索，微小的误差会不断累积，你最终会完全迷失方向。传统的惯性导航系统也是如此：随着微小测量误差的累积，它们会逐渐偏离航线，需要借助GPS或其他外部信号进行修正。

量子物理学在这里可能就派上用场了。在极低的温度下，原子遵循量子力学的规律：它们表现出波动行为，并且可以同时处于多种状态。这两种特性是量子惯性传感器的核心所在。

X-37B上搭载的量子惯性传感器采用了一种名为原子干涉测量法的技术，即把原子冷却到接近绝对零度，使它们呈现出波的行为。通过精密调节的激光，每个原子被分成所谓的叠加态，类似于“薛定谔的猫”，这样原子就能同时沿着两条路径运动，随后这两条路径会重新合并。

与传统的惯性导航系统相比，量子传感器的灵敏度要高出好几个数量级。因为所有原子都是相同的，且性质稳定，不像机械部件或电子元件那样会发生变化，所以它们更不容易出现漂移或偏差。因此，这种传感器无需外部参考，就能实现长时间、高精度的导航。

即将开展的X-37B任务将首次在太空中测试这种级别的量子惯性导航。此前的一些任务已经在轨道或亚轨道飞行中搭载了原子干涉仪，并成功演示了太空中原子干涉测量法背后的物理原理，不过这些任务并非专门针对导航目的。

这项试验对军事和民用航天都具有重要意义。对于美国太空军来说，这意味着提高作战韧性，尤其是在GPS可能无法使用的场景下。对于未来的太空探索，比如前往月球、火星甚至深空，自主性是关键，量子导航系统不仅可以作为可靠的备用系统，在无法接收来自地球的信号时，甚至可以作为主要系统。

量子导航只是当前更广泛的量子技术浪潮中，从实验室研究迈向实际应用的一环。尽管量子计算与量子通信常常占据新闻头条，但像量子时钟、量子传感器这类系统，或许会率先得到广泛应用。

2024年，美国波音公司与原子光学传感技术公司在一架有人驾驶飞机上完成了全球首次空中量子惯性导航测试。

由于X-37B任务的军事属性，这项测试可能会保持低调，不予公开。然而，一旦测试成功，这可能成为太空导航实现重大突破的标志性时刻。（编译/王栋栋）