全球首款量子“罗盘”问世

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据英国帝国理工学院官网近期报道,该校与一家量子技术公司携手研制出全球首款用于导航的量子加速度计,并在英国国家量子技术展示会上发布了这一新技术。

据英国帝国理工学院官网近日报道,该校研究人员和MSquared公司携手,研制出全球首款用于导航的量子加速度计。这款量子“罗盘”是不依赖全球定位卫星的防干扰导航装置,能确定地球上任何地方的精确位置。

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今天的大多数导航依赖包括GPS在内的全球卫星定位系统,这些系统会发送和接收来自绕地球轨道运行的卫星的信号,而新的量子加速度计是一个独立系统,不依赖任何外部信号。这一点尤其重要,因为卫星信号可能遭到封锁、拦截,甚至蓄意破坏或攻击,导致无法准确导航。

简单地说,量子加速度计是一个独立的系统,它不依赖任何外部信号,通过测量物体速度随时间的变化节律,就可以计算出物体的精确位置。据该公司量子技术科学家约瑟夫·汤姆博士介绍,量子加速度计主要依靠测量极低温度下的超冷原子运动来工作。在超冷状态下,冷原子就像物质和波一样,表现为“量子”方式。若要确保测量的准确度,必须使原子处于超冷状态,用量子力学来描述其运动方式,也就是所谓的量子干涉仪。为使原子足够冷并探测它们的特性,该公司历时3年研制出一种用于冷原子传感器的通用激光系统,为加速度测量提供了光学标尺。研究人员表示,他们已研制出能够在3个平面进行测量的升级产品,即可以实时测定物体在全球任何地点的精确位置。
此外,量子加速度计不仅可用于大型车辆、船只的导航,还可应用在寻找暗能量和引力波等基础科学的研究上。公司创始人兼首席执行官格雷姆·马尔科姆博士认为,这种商业上可行的量子设备,即量子加速度计的研制成功,表明英国在结合工业界和学术界方面拥有独特的优势,将让英国处于即将到来的量子时代的前沿。
虽然该公司没有明确表明量子加速度计在军事领域的应用前景,但我们可以清醒地认识到其在争夺“制卫星权”领域的重要作用。一方面,夺取“制卫星权”是夺取制信息权和制天权的核心与关键;另一方面,夺取“制卫星权”的一个主要原因是争夺“导航权”。由于量子加速度计工作时不需要依赖全球定位导航卫星,就能够确定地球上任何地方的精确位置,使其成为“天生”的防干扰导航装置。可以说,拥有了“导航权”,就能确保己方军事行动的安全自由,打乱和破坏敌方军事行动的安全自由。
目前,世界主要国家的武器装备导航定位系统主要依赖美国GPS等全球卫星导航系统。但卫星信号受地形、地物、地貌和天候影响较大,同时也极易遭受军用设备自扰、民用设备互扰以及敌方拦截干扰,导致军事行动中无法准确导航的现象经常出现。
因此,一旦此款量子产品走出实验室、走向战场,就意味着卫星可以不依赖GPS进行导航。这将对武器装备的制导方式产生革命性影响。

加速度计测量物体速度随时间变化,借助这一变化以及物体的起点,可计算出物体所在新位置。虽然加速度计出现在手机和笔记本电脑等设备中,但它们必须频繁地重新校准,若用于导航,每次最多只能连续工作几个小时。

研究团队在英国国家量子技术展示会上展示了这种可移动、可商用的量子加速度计。它依靠测量极低温度下超冷原子的运动来工作,在这种超冷状态下,冷原子表现为“量子”方式,就像物质和波一样。帝国理工学院冷物质中心的约瑟夫·科特博士说:“当原子超冷时,我们必须用量子力学来描述它们的运动方式,这使我们能制造出原子干涉仪等设备。”

为使原子足够冷并探测它们的特性,需要能精确控制的功能强大的激光器。MSquared公司历时3年研制出了一种用于冷原子传感器的通用激光系统,具有高功率、低噪声和频率可调性等特征,可对原子进行冷却,并为加速度测量提供光学标尺。

研究人员指出,新量子“罗盘”的设计初衷是为大型车辆、船只等导航,但也可用于寻找暗能量和引力波等基础科学研究。

2013年,量子研究被英国政府确定为优先领域,研究重点是军事技术。此后,通过英国国家量子技术计划,英国政府在5年内对该领域投资了2.7亿英镑。