X37-B太空飞机将测试量子导航系统，有望取代 GPS

这项实验可能是开创性的

美国军用太空飞机 X-37B 轨道试验飞行器将于明天(美国时间2025年8月21日)开始第八次太空飞行。X-37B 在太空中所做的大部分事情都是秘密的。但它部分充当了尖端实验的平台。

其中一项实验是GPS的潜在替代品，它利用量子科学作为导航工具：量子惯性传感器。

GPS 等基于卫星的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。但 GPS 并非随处可用。这项技术可能会彻底改变航天器、飞机、轮船和潜艇在 GPS 不可用或受到损害的环境中的导航方式。

在太空中，尤其是在地球轨道之外，GPS 信号变得不可靠或干脆消失。这同样适用于水下，潜艇根本无法访问 GPS。即使在地球上，GPS 信号也可能被干扰（阻塞）、欺骗（让 GPS 接收器认为它位于不同的位置）或禁用——例如，在战争冲突期间。

这使得没有 GPS 的导航成为一项严峻的挑战。在这种情况下，拥有独立于任何外部信号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车辆的加速度和旋转，确实提供独立的导航，因为它们可以通过跟踪车辆随时间的移动来估计位置。想象一下闭着眼睛坐在车里：你仍然可以感觉到转弯、停止和加速度，你的大脑会整合这些来猜测你随着时间的推移所处的位置。

但最终，如果没有视觉提示，小错误就会累积起来，您将完全失去定位。经典惯性导航系统也是如此：随着微小的测量误差的积累，它们会逐渐偏离路线，需要通过 GPS 或其他外部信号进行校正。

量子的帮助

如果你想到量子物理学，你可能会想到一个奇怪的世界，粒子的行为就像波，薛定谔的猫既死又活。这些思想实验真实地描述了原子等微小粒子的行为方式。

在非常低的温度下，原子遵循量子力学规则：它们的行为类似于波，可以同时以多种状态存在——这两个特性是量子惯性传感器的核心。

X-37B上的量子惯性传感器使用一种称为原子干涉法的技术，其中原子被冷却到接近绝对零度的温度，因此它们的行为就像波一样。使用微调激光，每个原子被分裂成所谓的叠加态，类似于薛定谔的猫，这样它就同时沿着两条路径行进，然后重新组合。

由于原子在量子力学中的行为类似于波，因此这两条路径相互干扰，形成类似于水面上重叠涟漪的图案。此模式中编码的是有关原子环境如何影响其旅程的详细信息。特别是，最微小的运动变化，如传感器旋转或加速度，都会在这些原子“波”上留下可检测到的痕迹。

与经典惯性导航系统相比，量子传感器的灵敏度要高出几个数量级。由于原子是相同的并且不会改变，因此与机械部件或电子设备不同，它们不易发生漂移或偏置。其结果是无需外部参考即可实现长时间和高精度导航。

即将到来的 X-37B 任务将是首次在太空中测试这种级别的量子惯性导航。之前的任务，例如NASA 的冷原子实验室和德国航天局的 MAIUS-1，都曾在轨道或亚轨道飞行中飞行原子干涉仪，并成功展示了太空原子干涉测量背后的物理原理，尽管不是专门用于导航目的。

相比之下，X-37B 试验被设计为一种紧凑、高性能、有弹性的惯性导航装置，用于现实世界的长期任务。它将原子干涉测量从纯科学领域转移到航空航天的实际应用中。这是一个很大的飞跃。

这对军事和民用航天都具有重要意义。对于美国太空军来说，这代表着朝着提高作战弹性迈出了一步，特别是在 GPS 可能无法使用的情况下。对于未来的太空探索，例如月球、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份，甚至可以在地球信号不可用时作为主要系统。

量子导航只是当前从实验室研究转向实际应用的更广泛的量子技术浪潮的一部分。虽然量子计算和量子通信经常成为头条新闻，但量子时钟和量子传感器等系统可能是第一个得到广泛使用的系统。

美国正在大力投资量子惯性传感，最近的机载和潜艇测试显示出巨大的前景。2024年，波音公司与AOSense在载人飞机上进行了全球首次飞行中量子惯性导航测试。这证明了大约四个小时的连续无需 GPS 导航。同年，英国在商用飞机上进行了首次公开认可的量子导航飞行测试。

今年夏天，X-37B 任务将把这些进步带入太空。由于其军事性质，该试验可能会保持安静和不公开。但如果它成功了，它可能会被人们铭记为太空导航实现巨大飞跃的里程碑。