這種新的量子技術(shù)可能會(huì)徹底改變我們導(dǎo)航世界的方式

量子技術(shù)不再局限于實(shí)驗(yàn)室，它正在進(jìn)入我們的日常生活?，F(xiàn)在，它即將改變一些更根本的事情：我們?nèi)绾务{馭世界。

想象一下，潛艇在海底行駛，永遠(yuǎn)不需要浮出水面以獲取位置更新。

飛機(jī)以不可動(dòng)搖的精度飛越各大洲，不受信號(hào)中斷的影響。

應(yīng)急響應(yīng)人員可以完美地在煙霧彌漫的建筑物或地下隧道中穿行，而自動(dòng)駕駛汽車則可以在密集的城市環(huán)境中繪制完美的路線。

這些場景聽起來像科幻小說，但它們都可以通過一種稱為量子導(dǎo)航的新興方法實(shí)現(xiàn)。

這項(xiàng)改變游戲規(guī)則的技術(shù)有朝一日將以我們才剛剛開始想象的方式重新定義運(yùn)動(dòng)、探索和連接。那么，它是什么呢？

衛(wèi)星導(dǎo)航是許多事情的核心

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，如 GPS，深深植根于現(xiàn)代社會(huì)。我們每天都使用它們進(jìn)行導(dǎo)航、訂購送貨和標(biāo)記照片位置。但它們的影響遠(yuǎn)不止于方便。

來自地球軌道衛(wèi)星的計(jì)時(shí)信號(hào)驗(yàn)證了股票市場交易，并有助于平衡電網(wǎng)。農(nóng)業(yè)、衛(wèi)星導(dǎo)航Guides 自動(dòng)拖拉機(jī)和幫助召集牛.

緊急服務(wù)依靠導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行快速響應(yīng)，從而減少所需時(shí)間幫助有需要的人.

盡管有它們的好處，但像 GPS 這樣的系統(tǒng)非常脆弱。衛(wèi)星信號(hào)可能會(huì)受到干擾或干擾。這可能是由于正在進(jìn)行的戰(zhàn)爭、恐怖主義或出于合法（或非法）的隱私問題。地圖就像 GPSJAM 一樣顯示實(shí)時(shí)干擾熱點(diǎn)，例如中東、俄羅斯和烏克蘭周邊地區(qū)以及緬甸。

太空環(huán)境也不是一成不變的。太陽定期噴射出巨大的等離子體球，導(dǎo)致我們所知道的太陽風(fēng)暴.這些發(fā)射物撞擊地球磁場，擾亂了衛(wèi)星和 GPS 信號(hào)。這些影響通常是暫時(shí)的，但它們也會(huì)造成重大損害。取決于風(fēng)暴的嚴(yán)重程度.

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中斷不僅僅是不便，還會(huì)破壞我們最關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施。

據(jù)估計(jì)，丟失 GPS 只會(huì)使美國經(jīng)濟(jì)損失慘重每天約 10 億美元（15 億澳元），導(dǎo)致互連系統(tǒng)出現(xiàn)級(jí)聯(lián)故障。

量子導(dǎo)航救援

在某些環(huán)境中，來自衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)效果不佳。例如，它們不會(huì)滲透到水或地下空間。

如果您曾經(jīng)嘗試過在摩天大樓林立的城市中使用 Google 地圖，您可能會(huì)遇到問題。高層建筑會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射，從而降低準(zhǔn)確性，并且建筑物內(nèi)的信號(hào)會(huì)減弱或完全不可用。

這就是量子導(dǎo)航有一天可以發(fā)揮作用的地方。

量子科學(xué)描述了粒子在小于原子的尺度上的行為。它揭示了令人難以置信的效果，例如疊加 - 粒子同時(shí)以多種狀態(tài)存在 - 以及糾纏（當(dāng)粒子通過空間和時(shí)間以違背經(jīng)典理解的方式連接起來時(shí)）。

這些影響很脆弱，通常會(huì)在觀察下崩潰，這就是為什么我們在日常生活中不會(huì)注意到它們的原因。但量子過程的非常脆弱也使它們成為精致的傳感器。

傳感器是一種設(shè)備，可以檢測周圍世界的變化，并將該信息轉(zhuǎn)化為我們可以測量或使用的信號(hào)。想想當(dāng)我們走近它們時(shí)會(huì)自動(dòng)打開的門，或者會(huì)響應(yīng)我們的觸摸的手機(jī)屏幕。

量子傳感器之所以如此敏感，是因?yàn)榱孔恿Ｗ訒?huì)對其環(huán)境中的微小變化做出反應(yīng)。與可能會(huì)錯(cuò)過微弱信號(hào)的普通傳感器不同，量子傳感器非常擅長檢測時(shí)間、重力或磁場等事物的最小變化。

它們的靈敏度來自于當(dāng)周圍環(huán)境中的事物發(fā)生變化時(shí)，量子態(tài)很容易發(fā)生變化，這使我們能夠比以前更準(zhǔn)確地測量事物。

這種精度對于強(qiáng)大的導(dǎo)航系統(tǒng)至關(guān)重要。

我們的團(tuán)隊(duì)正在研究使用量子傳感器測量地球磁場以進(jìn)行導(dǎo)航的新方法。通過在鉆石中使用量子效應(yīng)，我們可以實(shí)時(shí)檢測地球的磁場，并將測量結(jié)果與預(yù)先存在的磁場圖，為 GPS 等衛(wèi)星導(dǎo)航提供了一種彈性替代方案。

由于磁信號(hào)不受干擾影響并在水下工作，因此它們提供了一個(gè)很有前途的備份系統(tǒng)。

導(dǎo)航的未來

未來的導(dǎo)航將集成量子傳感器以提高定位精度（通過地球的磁場和引力場），改善方向（通過量子陀螺儀），并實(shí)現(xiàn)卓越的計(jì)時(shí)（通過緊湊的原子鐘和互連的計(jì)時(shí)系統(tǒng)）。

這些技術(shù)有望補(bǔ)充并在某些情況下提供傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航的替代方案。

然而，雖然量子導(dǎo)航的潛力是顯而易見的，但使其成為現(xiàn)實(shí)仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。世界各地的研究人員和公司都在努力改進(jìn)這些技術(shù)，學(xué)術(shù)界、政府實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)界正在做出重大努力。

初創(chuàng)公司和老牌公司正在開發(fā)量子加速度計(jì)（測量運(yùn)動(dòng)的設(shè)備）和陀螺儀，但大多數(shù)仍處于早期測試階段或?qū)I(yè)應(yīng)用。

主要障礙包括減小量子傳感器的尺寸和功率需求，提高它們在受控實(shí)驗(yàn)室設(shè)置之外的穩(wěn)定性，以及將它們集成到現(xiàn)有的導(dǎo)航系統(tǒng)中。

成本是另一個(gè)障礙 – 當(dāng)今的量子設(shè)備既昂貴又復(fù)雜，這意味著要花幾年時(shí)間才能得到廣泛采用。

如果能夠克服這些挑戰(zhàn)，量子導(dǎo)航就可以以微妙而深刻的方式重塑日常生活。雖然量子導(dǎo)航不會(huì)在一夜之間取代 GPS，但它可能會(huì)成為保持世界運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。

艾莉森·基利，創(chuàng)新星球研究所所長，斯威本科技大學(xué)

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