英国领飞，量子惯导首次上天
英国领飞，量子惯导首次上天
英国政府的科学、创新与技术部门（DSIT）宣布，由量子技术公司Infleqtion、BAE Systems和QinetiQ研究实验室组成的联盟，已在飞机上成功演示了基于量子的惯性导航系统。这是全球首次公开展示此类技术的飞行演示，标志着量子导航技术向实际应用迈出了重要一步。
导航技术是人类从事经济贸易、推动文化交流、地理探索发现以及部署运用军事力量的支撑性技术。发展本国的导航系统对国家而言具有重要的战略价值，它是一个国家综合国力的体现。
但是，卫星导航系统有缺陷，比如电磁波容易受到干扰，在水下、密林深处、地下和有障碍物覆盖的地方更是无计可施。
在此背景下，基于量子特性的量子导航技术应运而生。这种技术通过利用量子态的叠加和纠缠，能够实现对位置和时间的极其精确的测量，为导航提供了一种全新手段。特别是在全球定位系统（GPS）无法运作的环境中，量子导航技术展现出了显著的优势。2023年6月，这项技术曾在英国“XV Patrick Blackett号”上进行了关键测试，这艘装备了快速原型舱的实验船成功演示了在完全无GPS环境下的精确定位能力。
英国科学、创新和技术部（DSIT）表示，这些测试成果是Infleqtion公司与BAE Systems和QinetiQ合作的量子传感器项目的一部分。
通过在海上和空中的成功演示，这些测试不仅加深了我们对量子导航原理的理解，也为未来的军事和民用领域开辟了新的可能性，展示了在全球导航技术中迈向更高精度和可靠性的新时代。
在英国这次的飞行试验中，该联盟利用量子基准对惯性测量单元（IMU）中的核心部件——加速度计和陀螺仪进行了改进。理论上，这种量子基准的IMU可以保持随时间推移的绝对精度，消除了传统加速度计和陀螺仪的漂移问题。尽管完美的IMU可能永远无法实现，但研究人员正在寻找超越传统IMU的量子基准精度。
这项由英国政府资助的研究，涉及到在威尔特郡的国防部MoD Boscombe Down进行的一系列空中量子设备试验。试验中使用了Infleqtion公司的“Tiqker”光学原子钟和一种“紧密限制的超冷原子量子系统”。DSIT表示，便携式生产超冷原子是解决这一难题的关键部分。超冷原子是构建量子加速度计和陀螺仪的理想选择。
人们希望该技术能够成为量子惯性导航系统（Q-INS）的一部分，该系统有可能彻底改变PNT。它可以提供一个具有卓越准确性和弹性的系统，独立于使用GPS的传统卫星导航。
该测试是英国研究与创新（UKRI） 资助的项目的一部分，也是英国国家量子战略“任务4”的一部分，该战略的目标是到2030年在飞机上部署量子导航系统。该项目试图创建量子传感器，以解决英国对GPS等系统的定位、导航和授时数据的严重依赖问题。人们认为，这种依赖性可能会产生漏洞，干扰或欺骗GPS信号等故障可能会扰乱关键的经济、国防和战略活动。
Infleqtion英国总裁Timothy Ballance博士和BAE Systems的Henry White将这些试验描述为量子PNT解决方案开发的“重要一步”。
Balance博士表示：“我们所做的工作直接解决了减少对卫星导航系统依赖的迫切需求，卫星导航系统容易受到各种风险的影响。成功的飞行试验证明了量子技术在克服导航系统挑战方面的潜力，这对于航空航天业及其他领域的未来应用来说是一个令人兴奋的发展。”
White认为：“这些试验可能有助于开发量子技术。现在在技术开发的早期阶段与更广泛的行业和专家密切合作，有助于我们制定解决方案，确保该技术可以集成到军事应用中，支持下一代作战空中系统的开发方面发挥重要作用。”
该项目得到了英国政府近800万英镑的支持。这笔资金与25亿英镑的国家量子战略和国家量子技术计划一起，旨在提高英国作为领先的量子经济体的地位。
周四观摩最后一次试飞的英国科学部长Andrew Griffith表示：“这项技术首次在英国天空飞行这一事实进一步证明了英国是量子领域的世界领导者之一。”
实际上从2014年开始，英国国防科学与技术实验室（DSTL）就一直在研究一种以超冷原子为基础的加速计，并命名为量子定位系统（QPS）。
英国QPS的技术原理是：激光捕获真空中的原子云，并使其冷却至绝对零度以上不到1度的温度。超低温下，原子会变成一种量子态，这种量子态很容易受外力干扰。这时，用另一束激光来跟踪监测干扰造成的变化，就能计算出外力大小。
英国计划用这种量子系统对潜艇进行导航，因为GPS会在水下失灵 ，所以潜艇下沉后要用加速计来导航，记录每次扭身、转向，但目前的加速计并不精确，QPS不受水下、建筑物遮挡等环境限制，导航精度比目前GPS最多高出3个数量级，可大幅提升潜艇隐蔽性。
到了2018年11月，伦敦帝国理工学院和M Squared公司推出英国第一个用于导航的量子加速度计，精确度比传统加速度计提高1000倍，将作为潜艇量子导航系统的一部分，体积只有一个鞋盒大小。
量子加速度计（来源：https://www.thestack.technology/quantum/）
当前主要的量子技术物理实现方式有8种：能级跃迁、核磁共振、超导电路、无自旋交换弛豫原子自旋(SERF)、金刚石NV色心、冷原子相干叠加、离子阱、量子纠缠。五大应用方向：包括时频基准、磁场测量、重力测量、惯性测量和目标识别。所有技术路径均有军民两用传感器的发展方向。
量子传感器包括量子陀螺仪、量子雷达、量子重力仪、量子磁力仪和量子加速度计等。
在定位导航领域，量子陀螺仪和量子加速度计至关重要。量子陀螺仪和加速度计可提供超精确测量，从而改进全球定位系统失效环境下的制导系统。
由于GPS信号可能被技术先进的国家如中国或俄罗斯干扰或禁用，美军正在训练作战人员在GPS信号被屏蔽的环境中作战，因此，量子传感器在导航领域的应用显得尤为重要。量子惯性测量单元（IMU）是量子传感器技术的一种，它利用最小的原子惯性技术，有望在未来几年内实现小型化和高效率的导航解决方案。
与传统的GPS系统相比，量子IMU不容易受到干扰，能够在GPS不可用的情况下提供类似或更高的导航精度。然而，量子传感器的小型化和能效是其应用于军舰、潜艇或飞机等动态环境的主要挑战。研究人员正在努力解决这些挑战，以提高量子传感器的准确度和精确度。
1）量子陀螺仪
陀螺仪又叫角速度传感器，决定惯性导航系统性能的核心器件，广泛应用于飞行器和舰船制导以及自动驾驶等领域。量子陀螺仪利用了量子力学中的自旋和轨道角动量等概念，可以精确地测量出物体的姿态和速度。同时，量子陀螺仪还具有对磁场和电场的免疫能力，可以在复杂的电磁环境中正常工作。
具体来看，量子传感器能够实现更高精度，比如传统机电式陀螺仪的精度约为10e^-6°/h，而量子陀螺仪的理论精度可达10e^-12°/h；又如传统时间同步技术最高精度是100皮秒（10e^-12秒），而量子时间同步协议的精度可达到皮秒量级。
本世纪初，随着量子技术的不断进步，原子陀螺仪逐渐成为研究的热点。原子陀螺仪利用原子的量子性质来测量旋转和加速度，理论上其零偏稳定性可达到10^-8至10^-10°/h，这一精度比现有的最高精度陀螺高出4至6个数量级。
2003年，美国国防部先进研究项目局（DARPA）启动了“精确惯性导航系统”（PINS）计划，将冷原子干涉技术视为未来导航技术的主导方向。在PINS计划的推动下，美国AOSense公司与斯坦福大学的Kasevich小组合作，开发了集加速度计、陀螺仪和重力梯度仪于一体的移动惯性传感系统。该系统的零偏稳定性达到了前所未有的水平，为高精度导航系统的发展奠定了基础。
欧洲空间局（ESA）也不甘落后，其“空间高精度原子干涉测量计划”（HYPER）计划于2020年发射，旨在通过四个原子干涉仪组成的系统，实现对加速度和旋转角速度的高精度测量。这一计划将使原子陀螺仪的灵敏度达到新的高度。
在原子自旋陀螺仪领域，美国普林斯顿大学在2002年发现了原子无自旋交换弛豫（SERF）态，这一发现极大地提高了原子自旋的相干性，从而显著提升了设备的性能。随后，普林斯顿大学和Twinleaf公司等机构在SERF原子自旋陀螺仪的研究和开发上取得了一系列进展，实现了小型化和高精度的双重目标。
量子陀螺较传统机电式陀螺和光电式陀螺，在测量精度和小型化集成前景等方面都具有较大的优势。其中，核磁共振陀螺发展最为成熟，已经进入芯片化产品研发，原子干涉、超流体干涉和金刚石色心陀螺目前还处于原理验证和技术试验阶段，距离实用化较远。
2）量子加速度计
此外，量子定位导航的关键部件还有量子加速度计。研究人员长期以来一直在开发量子加速度计，以提高位置跟踪的准确性：量子加速度计不是测量压缩弹簧的质量，而是测量物质的波状属性。这些设备使用激光来减缓和冷却原子云；在这种状态下，原子的行为就像光波一样，在它们移动时产生干扰模式。更多的激光器诱导并测量这些模式如何变化，以跟踪设备在空间中的位置。
2022年，法国国家科学研究中心的一个团队描述了一个量子加速度计，它使用激光和超冷铷原子；相较经典器件，可以以50倍的精度优越性测量三维运动。这项工作将量子加速计扩展到了第三维度，可以在没有GPS的情况下带来精确的导航。
尽管取得了重大成果，加速计仍然比较大、重，不会很快步入实用。但如果做得更小、更坚固，该团队说它可以被安装在船舶或潜艇上，用于精确导航；或者，它可以通过测量重力的细微变化，进入寻找矿藏的野外地质学家的手中。
2023年，在Infleqtion和美国国家科学基金会的支持下，科罗拉多大学团队在推进量子导航领域取得了突破性进展。该团队通过将机器学习与量子传感相结合，展示了世界上第一个软件配置的、支持量子的高性能量子加速度计。它专为定位、导航和授时（PNT）应用而设计，这些应用在加速度高达地球重力（g）数十倍的情况下运行。
与当前最先进的技术相比，加速度计的传感器体积减少10,000倍以上。它还能承受比传统原子传感器高10-100倍的不必要的振动。这一成就展示了原子干涉测量法的卓越精度如何应用于实际的真实环境。
在2024年1月份，法国和德国的航天机构正式获准开发“Carioqa”项目，计划2030年在卫星上装载量子加速度计，旨在从太空准确绘制地球引力图。这将使预测地震、火山爆发，以及评估全球供水变化成为可能。
“Carioqa”项目由法国国家空间研究中心（CNES）和德国航天中心（DLR）发起，获得了欧盟委员会资助，17个欧洲合作伙伴参与其中。法国CNES的计划负责人克里斯汀·法莱表示，将量子加速度计送至太空是“世界首创”。
量子加速度计能够以极其精确的方式测量不同的加速现象，例如构成地球的各部分的质量运动。这些超灵敏仪器已在采矿研究中发挥重要作用，但还无法提供全球视野。如能解决量子传感器在微重力条件下工作的难题，将实现绘制全球范围的重力强度，从而更好地测量与地震和海平面上升有关的地球重力变化。
来源：ICV TA&K
Infleqtion公司（原名ColdQuanta公司）总部位于科罗拉多州博尔德市，以激光冷却和超冷原子的量子技术见长。
公司致力于为各类科学和工业量子应用开发和制造仪器、组件和系统。其业务范围覆盖冷原子实验、量子模拟、量子信息处理、原子钟和惯性传感等多个领域。公司还成功打造了名为“希尔伯特”（Hilbert）的云量子计算机。
Hilbert量子处理器（来源：https://www.zdnet.com/article/quantum-computing-this-new-100-qubit-processor-is-built-with-atoms-cooled-down-near-to-absolute-zero/）
2023年6月，英国研究与创新局（UKRI）为支持量子技术的发展拨款4500万英镑，Infleqtion成为其中的资金接受者，这一举措标志着公司的一个重要里程碑，为推动量子计算技术发展注入了新希望。
Infleqtion致力于通过与美国政府及其盟友的合作来应对全球战略挑战，为进一步发展和将量子导航解决方案集成到国防和商业应用中铺平道路。Infleqtion公司重要的成果呈现：
（1）2023年6月， Infleqtion 和美国国家科学基金会的支持下，科罗拉多大学团队在推进量子导航领域取得了突破性进展。该团队通过将机器学习与量子传感相结合，展示了世界上第一个软件配置的、支持量子的高性能加速度计。
（2）2023年7月，Infleqtion在德国慕尼黑光电展览会（LASER-World of Photonics）的“量子世界（World of Quantum）”会议上宣布将开发光学原子钟，其精度和可靠性将超越目前基于全球导航卫星系统（GNSS）的原子钟系统。Infleqtion表示，新型光学原子钟将比市面上目前同等尺寸最佳的商用原子钟频率稳定性高50倍以上。这种精确度对于自主导航、弹性配电以及国家安全等应用来说至关重要。
Cornelis Ravensberger认为：“与传统基于GNSS的原子钟系统相比，量子PNT系统具有显著优势，主要包括提高精度、增强可恢复性、减小尺寸和重量。同时量子PNT系统也不依赖于外部信号，使其不易受天气条件、干扰信号和抑制信号的影响。”
Cornelis Ravensberger补充道，在包括5G网络部署在内的各类应用对精确定位、导航和计时（PNT）系统需求不断增长的推动下，量子PNT系统的市场规模有望显著增长。
（3）目前，Infleqtion正在积极研究利用量子技术创建非GPS导航系统。Infleqtion与美国科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado, Boulder）一直致力于利用机械设计的光学晶格原子干涉仪来研究基于量子技术的惯性传感器设备。
该设备利用由光驻波形成的光学晶格进行干涉测量。该设备由铷（Rb）原子的一维阵列构成，这些铷原子被蒸发并加载至磁光阱中。通过将不同激光照射阵列，并利用相机观察所得图像，该系统可以使用基于人工智能（AI）的强化学习和控制技术来计算加速度。Infleqtion方法有诸多优点，可以通过软件控制实时重新配置，具有紧凑型外形尺寸，可以按比例放大以获得更高灵敏度，并且具有鲁棒性。
目前量子惯性领域的研发由高校主导，欧美顶尖团队有斯坦福、普林斯顿、巴黎天文台、Sandia国家实验室等，中国团队如北航、东南大学、中科院精密测量院等也在推进研究，但目前产品整体性能指标比国际先进水平低约2-3个数量级。各类型产品中，核磁共振陀螺仪是短期内最有望推广应用的产品，冷原子干涉加速度计和陀螺仪展现了极高的精度，具有很大的应用前景，可能在未来成为高精度惯性导航领域的主流技术。