許方星

摘 要：傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)技術(shù)，其定位精度由于受限于電磁波脈沖的能量與帶寬存在著一定的極限。隨著量子力學(xué)的發(fā)展，利用具有量子糾纏特性的激光脈沖來取代電磁脈沖信號，可以實現(xiàn)趨近于物理極限的高定位精度，這就是量子定位技術(shù)。概述了量子定位的基本原理和特點優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，淺析了其關(guān)鍵技術(shù)及未來廣闊應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：量子定位 量子糾纏 Hong-Ou-Mandel干涉

中圖分類號：TN918 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0007-02

Abstract：For the traditional satellite navigation and global positioning system， the positioning accuracy is limited by the energy and bandwidth of electromagnetic pulses. With the development of quantum mechanics， laser pulses are used to replace the electromagnetic pulse signal and realize a high positioning precision approximating the physical limits because of their quantum entanglement properties， which is named as“quantum positioning system”. To describe the basic principle and characteristics of the quantum positioning advantages， while its key technologies and the broad application prospect in the future are analyzed as well.

Key Words：Quantum Positioning；quantum entanglement；Hong-Ou-Mandel interference

衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)以天基人造衛(wèi)星為基本平臺，能夠為全球海、陸、空、天各類軍民用載體提供全天候、二十四小時連續(xù)不間斷的高精度三維位置、速度和時間信息。目前技術(shù)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括美國的全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS），歐洲導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)，我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于交通導(dǎo)航、衛(wèi)星授時應(yīng)用、應(yīng)急指揮、民用水情測報服務(wù)等，發(fā)揮了非常重要的作用。

雖然GPS在導(dǎo)航定位領(lǐng)域獲得了前所未有的成功，但仍然存在以下幾個方面的問題。

（1）定位精度仍然不夠高，系統(tǒng)體制仍存在著物理極限。因為GPS定位的原理是通過重復(fù)地向空間發(fā)射電磁波信號，檢測電磁波到達(dá)待測點的時間延遲來實現(xiàn)的，這種以經(jīng)典物理學(xué)為基礎(chǔ)的方法受到所能實現(xiàn)的可利用功率及帶寬的限制，其測量精度很難獲得進(jìn)一步的提高。此外，電磁波信號受到電離層和對流層的干擾，特別在城市、山區(qū)等復(fù)雜自然環(huán)境下，由于高層建筑、樹木等對信號的影響，會導(dǎo)致信號的非直線傳播，從而使得不同環(huán)境下的導(dǎo)航效果具有比較大的差異。

（2）保密性較差，美國斯坦福大學(xué)設(shè)立有一個專業(yè)實驗室，主要截獲并分析全球所有的衛(wèi)星信號，華裔學(xué)者Grace Xingxin Gao在2008年的博士論文《Towards navigation based on 120 satellites： analyzing the new signals》，較為詳細(xì)地闡述了衛(wèi)星信號的跟蹤與破譯方法，雖然不能確信是否能夠破譯所有的偽隨機(jī)碼，但至少是可以部分破譯的。

（3）抗干擾能力差，與其他傳感器系統(tǒng)相比，GPS信號強(qiáng)度很弱，因此更加容易受到電磁干擾，使基于GPS的導(dǎo)航系統(tǒng)存在穩(wěn)定性漏洞。

由于存在著這些缺陷，美國投入巨資完善并發(fā)展GPS系統(tǒng)?；诹孔蛹夹g(shù)的量子定位系統(tǒng)（Quantum Positioning System， QPS）作為一種定位精度高、保密性能強(qiáng)的導(dǎo)航定位技術(shù)，就是其發(fā)展重點之一。量子定位的概念最先是由美國麻省理工學(xué)院研究人員于2001年提出，其與傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于所采用信號的不同。傳統(tǒng)定位如GPS系統(tǒng)采用的是基于重復(fù)發(fā)送電磁波脈沖測量信號達(dá)到時間，通過計算得到距離信息，而量子定位系統(tǒng)采用的是具有量子特性的光子脈沖。利用光子的微觀量子特性，如量子糾纏和量子壓縮態(tài)，量子定位系統(tǒng)就能夠超越經(jīng)典測量中能量、帶寬和精度的限制，精度可接近海森堡測不準(zhǔn)原理所限定的物理極限。

1 量子定位技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 量子定位系統(tǒng)的原理

量子定位技術(shù)利用具有量子特性的激光脈沖，取代傳統(tǒng)GPS的微波信號來實現(xiàn)精確定位。區(qū)別于微波信號的長波長波束覆蓋寬，激光的波長很短指向性很高，衛(wèi)星與用戶間的傳統(tǒng)同步方法不再適用。因此量子定位系統(tǒng)的定位不應(yīng)是取代現(xiàn)有GPS，而是與GPS相結(jié)合，實現(xiàn)安全高精度的定位目的。通過對量子定位技術(shù)原理的研究與優(yōu)選，提出具有實用性的量子定位系統(tǒng)體系架構(gòu)以及面向用戶的應(yīng)用模式，才能將量子定位系統(tǒng)推廣應(yīng)用。

量子定位系統(tǒng)由量子糾纏態(tài)光源、HOM干涉測量部分以及系統(tǒng)控制部分組成，其基本原理與關(guān)鍵特性如下。

（1）高性能量子糾纏態(tài)光源。在光與非線性晶體相互作用的過程中，能夠產(chǎn)生一種非線性光學(xué)效應(yīng)，這種效應(yīng)一對低頻率光子具有很強(qiáng)的量子糾纏、關(guān)聯(lián)和非定域特性，可實現(xiàn)時間和空間上的高精度測量。作為光源，光子糾纏態(tài)的糾纏純度、退相干時間對系統(tǒng)性能將產(chǎn)生巨大的影響。

（2）高穩(wěn)定HOM干涉測量與處理。在量子力學(xué)的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉中，由于雙光子的糾纏特性，干涉是不可區(qū)分的雙光子整體態(tài)。當(dāng)兩個光子在時域上同時到達(dá)分束片上時，雙光子態(tài)不可區(qū)分，此時干涉出現(xiàn)，兩個探測器的計數(shù)出現(xiàn)強(qiáng)的反關(guān)聯(lián)。反之，當(dāng)我們改變一條鏈路中的延時，致使復(fù)合計數(shù)出現(xiàn)強(qiáng)的反關(guān)聯(lián)時，即可知道此時兩個光子在時域上不可區(qū)分。這正是利用HOM干涉實現(xiàn)量子定位系統(tǒng)的基本原理。

（3）高精度ATP與時間同步技術(shù)：在單組基線的系統(tǒng)中，需通過改變可控反射模塊來實現(xiàn)基線與待測點r0之間建立穩(wěn)定的光鏈路。二者的精確指向?qū)⒂绊懙阶罱K定位的精度，因此對反射模塊的反射角度需要進(jìn)行反饋控制。在利用參考光實現(xiàn)對于待測點ATP（獲取、跟蹤、瞄準(zhǔn)）之后，定位過程將通過精密調(diào)整延時并觀測探測器的復(fù)合計數(shù)來實現(xiàn)。

1.2 量子定位系統(tǒng)與量子保密通信的結(jié)合技術(shù)

原理上，量子定位系統(tǒng)與量子保密通信都是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與后處理。因此，在同一套系統(tǒng)中實現(xiàn)兩種功能具有可行性。研究在量子定位過程中引入量子保密通信的技術(shù)，實現(xiàn)對交互信息的保密處理，提高量子定位系統(tǒng)的安全性。兩者相結(jié)合，能夠充分發(fā)揮量子定位系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢的方法，能有效提升量子定位的使用程度，是未來量子定位系統(tǒng)的一個應(yīng)用方向。

1.3 大氣、重力場環(huán)境的干擾校正技術(shù)

與GPS類似，為了實現(xiàn)寬覆蓋、全天候工作，星載平臺將是未來量子定位系統(tǒng)走向?qū)嵱没淖罴哑脚_。對于LEO低軌衛(wèi)星等自由空間傳輸?shù)男堑劓溌范?，大氣的損耗、湍流、散射，重力場對于授時的影響都是系統(tǒng)中必須考慮的因素，必須通過對環(huán)境的建模與仿真，分析對信息傳輸鏈路的影響，以實現(xiàn)量子定位系統(tǒng)的校正。

2 量子定位技術(shù)的發(fā)展前景

量子定位技術(shù)作為一種不同于傳統(tǒng)GPS的新型精確定位技術(shù)，是量子光學(xué)和通信導(dǎo)航技術(shù)相融合的典范。這項技術(shù)的深入研究，能為下一代高精度導(dǎo)航系統(tǒng)提供量子水平的定位精度。特別是在以下兩個方面。

（1）量子定位系統(tǒng)技術(shù)理論和工程實現(xiàn)將促進(jìn)電子信息系統(tǒng)進(jìn)入量子時代。

隨著信息化社會的發(fā)展，未來將逐步進(jìn)入量子的時代。在量子領(lǐng)域的實用化進(jìn)程中，高性能、大規(guī)模的量子設(shè)備（如星地量子保密通信、量子計算處理芯片、高性能糾纏源）已逐步面世。這也為量子定位技術(shù)逐步實用化提供了良好的基礎(chǔ)。

（2）量子定位系統(tǒng)與量子密碼技術(shù)的結(jié)合是未來實用化的最佳途徑。

目前量子密碼是目前最具有實用性的量子技術(shù)。將量子定位系統(tǒng)與量子密碼技術(shù)相結(jié)合，擴(kuò)展研發(fā)系統(tǒng)的功能，改善系統(tǒng)的安全性與抗干擾性。這對于軍用安全電子以及電子對抗裝備意味著創(chuàng)新的實現(xiàn)。同時作為一種全新的交叉領(lǐng)域的產(chǎn)物，針對量子定位系統(tǒng)技術(shù)的深入研究和實際系統(tǒng)研制，將大力促進(jìn)我國在量子領(lǐng)域、激光通信等相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展。

3 結(jié)語

最近二十年，GPS全球定位系統(tǒng)在軍民應(yīng)用領(lǐng)域都發(fā)揮了巨大的作用。無論從政治上還是軍事上來講，都不能沒有獨立的高水平的定位導(dǎo)航系統(tǒng)?；诹孔有?yīng)的量子定位系統(tǒng)技術(shù)利用光子的微觀量子特性，能夠超越經(jīng)典測量的瓶頸以達(dá)到更高的精度，是一項潛力巨大的新興技術(shù)，并終將在高性能電子信息設(shè)備上大放異彩。