在古代中国的风水先生们首先发明了罗盘
罗盘后来传入了西方恩格斯在机器自然力和科学的应用一书中写道罗盘指南针打开了世界市场并建立了殖民地
古代中国人的这项发明被西方人应用于大航海时代对地理大发现以及资本主义兴起起到了推动作用
几百年过去了
2018年11月英国帝国理工学院研究人员和MSquared公司携手研制出全球首款用于导航的量子加速度计这款导航设备被称为量子罗盘它是不依赖全球定位卫星GPS的防干扰导航装置
这个由西方人发明的量子罗盘看起来在未来的导航产业中具有巨大的价值
这年头只要与量子挂钩的技术都显得十分高大上比如不久前还有人提出了量子针灸等概念但是并不是所有的量子技术都是真正的科学
这款量子罗盘到底是不是真的高科技呢它的基本原理是什么未来的导航还需要用GPS吗
三种不同的导航原理
导航设备一般可以分为三类惯性导航卫星导航与天文导航
惯性导航比较传统一开始出现在第二次世界大战期间那时候德国的导弹能从德国发射后很精确地飞到英国伦敦上空这主要就是因为导弹里安装有惯性导航的设备那时候还没有卫星导航这个技术惯性导航的设备主要由加速度传感器与陀螺仪组成加速度传感器可以定出飞行器导弹等在空中相对于自身固连惯性参考系的加速度而陀螺仪则可以定出飞行器自身固连惯性参考系与地面参考系之间的变换矩阵
这种应用于导弹的惯性导航后来被用到飞机与潜艇等设备中但惯性导航很少用到汽车里在全球定位系统建成之前家用汽车是没有导航的那时候的人开汽车去陌生地方很容易走错路
卫星导航主要依靠天上的人造地球卫星给地面上的运动物体导航最著名的卫星导航系统有美国的全球定位系统与中国的北斗系统等在天上的四颗卫星可以定出地面上运动物体的XYZT四个时空坐标这就能实现定位导航但卫星导航有一个缺点这需要电磁波的传递在深海里的潜艇无法接受到空间的电磁波因此接受卫星导航信号
天文导航则是一个既古老又现代的概念中国古人就用北斗七星中的北极星来导航这就是一种古老的天文导航思想在科幻小说三体中作者这写到了利用恒星之间的距离关系来导航的思想在现实中最近中国的航天五院有一些科学家提出了利用宇宙空间的脉冲星来进行导航的思想不过脉冲星导航也许在地球上的飞行器飞出太阳系之后才有实际用处天文导航是未来星际旅行时代的导航发展方向
量子罗盘属于惯性导航
那么量子罗盘属于上面所说的三种导航原理中的哪一种呢
英国帝国理工学院研究人员和MSquared公司研制的这款量子罗盘能确定地球上任何地方的精确位置它不依赖外部卫星导航信息所以不属于卫星导航这个设备也不需要北极星或者脉冲星的参与因此也与天文导航无关
量子罗盘是一款惯性导航产品
那么这款量子罗盘是怎么工作的呢其量子性又体现在什么地方
据报道这款量子罗盘能测量极低温度接近绝对零度也就是零下273度下超冷原子的运动制备超冷原子的基本技术之一是用激光致冷原子这是华人物理学家朱棣文等人发明的方法朱棣文还因此得到诺贝尔物理学奖随后出任美国能源部部长
因此要实现原子的超冷状态需要用一种定制的激光器来操纵和控制原子这种激光器正是由总部位于格拉斯哥的MSquared公司花了近三年时间才研制出来
有了超冷原子如何才能实现导航呢
按照惯性导航的原理我们需要知道系统的加速度然后才可以对加速度做间积分得到速度再对速度求时间积分得到位置信息因此测出加速度信息是关键据中国科学技术大学副研究员张文卓向我们介绍冷原子的物质波干涉可以测出这个加速度的信息从而实现惯性导航而且这个量子罗盘的导航精度非常高比目前依靠经典电路的加速度传感器的精度要高几个数量级
量子罗盘会取代卫星导航吗
最近几十年来卫星导航已经成为最重要的社会基础设施之一对于私家车主来说离开了导航系统很多人都不知道怎么开车了中国的北斗系统与美国的GPS全球定位系统都构成了巨大的产业链但这些导航系统依赖于卫星信号这也给未来的发展留下了隐患尤其是在战争期间一旦卫星系统被摧毁那么全球各地的导航信号都将消失
因此很明显首先从军事上来说量子罗盘具有现实意义因为量子罗盘不需要卫星信号它依靠自身的冷原子干涉就可以实现自主导航这在军事上的价值巨大比如在深海中核潜艇需要在很深的海底航行海水与空气不同电磁波无法在深海里传播所以在海底依靠卫星导航是不可能的量子罗盘可以在核潜艇中使用
因此从军事意义上来说我们国家除了要发展北斗系统等导航设备也需要关注量子罗盘等新一代惯性导航技术的发展这对国家安全至关重要
除了军事意义量子罗盘作为一种新兴事物暂时还不会影响现在的民用导航产业格局因为目前的量子罗盘还处于实验研发阶段从公开资料来看量子罗盘的体积很大体积超过了1立方米而且需要用到真空设备与激光设备造价昂贵至少价值上千万人民币这在民用上普及还不可能要想在民用市场上普及必须做到小型化以及低成本化这在短期内是无法做到的
所以量子罗盘问世在短期内不会取代GPS等卫星导航设备的市场地位
中国导航产业界应重视量子罗盘这个黑科技
目前我们国家的导航产业主要是北斗卫星导航系统2017年我国卫星导航与位置服务产业总体产值已达到2550亿元2018年北斗系统进入全球组网密集发射期目前已成功发射17颗北斗三号组网卫星年底前还将发射两颗组网卫星服务一带一路沿线国家和地区这说明中国的北斗系统已经有了很大的成就
2018中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书预计到2020年北斗应用在交通运输和智慧城市建设等细分市场的规模有望超过2万亿元
虽然北斗卫星导航是我们国家导航产业的主旋律之一但我们还需要一些新的导航方法尤其是不能放弃惯性导航这种传统的导航方法目前依然有不少企业在惯性导航上做技术攻关比如星网宇达就是一家致力于惯性技术研发及产业化的高科技公司可为用户提供从单一器件到配套产品直至整个系统的解决方案
而在惯性导航方面量子罗盘是一个值得跟踪的研究方向因为其定位精度极高而且冷原子的干涉技术可以用到引力地图的测量矿产资源的探测等多个领域这些领域虽然不是直接与导航产业相关但都有巨大的产业价值
重视量子罗盘的发展在适当的时候把它引入到中国的导航产业中来是所有有前瞻性眼光的企业都应该努力去做的事情
也许在未来人类进入了太空时代那时候肯定不能再用卫星导航量子罗盘这种惯性导航将成为未来时代的主要导航手段
未来社会是一个量子的社会顺势而为必将有所作为量子罗盘值得我们从现在开始就去关注它
文轩中