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2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國(guó)科學(xué)家阿蘭·阿斯佩、美國(guó)科學(xué)家約翰·克勞澤和奧地利科學(xué)家安東·蔡林格，以表彰他們?cè)凇凹m纏光子實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證違反貝爾不等式和開(kāi)創(chuàng)量子信息科學(xué)”方面所作出的貢獻(xiàn)。光子糾纏再次成為物理學(xué)界內(nèi)外議論的焦點(diǎn)。
包括光子糾纏在內(nèi)的量子糾纏，已經(jīng)不是新聞，早在1935年就有人提出。作為測(cè)量工作者，我們關(guān)注的是以光子糾纏為代表的量子信息科學(xué)對(duì)導(dǎo)航定位的影響。
分子、原子、光子等構(gòu)成了物質(zhì)的基本單元，統(tǒng)稱為量子。糾纏是一種純粹的量子現(xiàn)象。處于量子糾纏中的粒子，無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，當(dāng)其中一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)將立刻受到影響。這種強(qiáng)烈的相關(guān)性似乎超越了空間和時(shí)間，一旦知道一個(gè)粒子自旋，就能馬上確定另一個(gè)粒子自旋，也許正是基本粒子之間的這種深層量子聯(lián)系，將空間和時(shí)間連接在了一起。
導(dǎo)航定位技術(shù)從天體導(dǎo)航、地文導(dǎo)航、地磁場(chǎng)導(dǎo)航，到近現(xiàn)代的慣性導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、聲吶導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航，已經(jīng)發(fā)展到人們熟悉的衛(wèi)星導(dǎo)航。作為星基無(wú)線電導(dǎo)航，衛(wèi)星導(dǎo)航雖然可獲取米級(jí)的空間位置信息，但抗干擾性較差，于是人們提出了量子導(dǎo)航定位系統(tǒng)。量子導(dǎo)航定位與量子通信、量子計(jì)算一樣，都是量子信息科技發(fā)展的重要方向。
以光子為例，光子糾纏對(duì)（兩個(gè)光子糾纏）可用于導(dǎo)航定位，從衛(wèi)星上發(fā)出，也可從地面發(fā)出，接收者可以在地面或者在衛(wèi)星上。
量子導(dǎo)航定位系統(tǒng)就是借助量子衛(wèi)星獲得衛(wèi)星與地面之間傳遞光子糾纏對(duì)的時(shí)間差，建立包含用戶坐標(biāo)的衛(wèi)星和地面間的距離方程，確定地面用戶的空間坐標(biāo)?？蒲腥藛T提出了用3顆或6顆衛(wèi)星建立量子導(dǎo)航定位系統(tǒng)的方案，從衛(wèi)星發(fā)射、運(yùn)行和維護(hù)成本上看，量子導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有優(yōu)越性。
量子導(dǎo)航定位系統(tǒng)可分為有源導(dǎo)航定位和無(wú)源導(dǎo)航定位兩大類。有源導(dǎo)航定位采用收發(fā)量子信號(hào)的方式定位，如果用光子糾纏對(duì)，實(shí)際上就是收發(fā)特殊的光。無(wú)源導(dǎo)航定位采用量子傳感器進(jìn)行導(dǎo)航定位，不向外界發(fā)送信號(hào)。有源導(dǎo)航定位使用的范圍較大，無(wú)源導(dǎo)航定位只能在傳感器的作用范圍內(nèi)使用。包括量子導(dǎo)航定位系統(tǒng)在內(nèi)的有源導(dǎo)航定位，需要捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，也需要精密的時(shí)鐘系統(tǒng)配合。
2016年，通過(guò)發(fā)射運(yùn)行于高度500千米、傾角97.37°軌道的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星，我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子通信，還建立了新疆天文臺(tái)南山觀測(cè)站，以及位于青海省德令哈市、河北省興隆縣和云南省麗江市的4個(gè)量子衛(wèi)星通信地面站，為星基量子導(dǎo)航定位系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。
我國(guó)在量子糾纏操縱方面一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了首次洲際量子通信，相距7600公里的中國(guó)和奧地利完成量子保密通信，并發(fā)表了一些高水平的論文，這為我國(guó)在量子導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研發(fā)提供了優(yōu)勢(shì)。
目前，我國(guó)量子導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研究還處于起步階段，只有經(jīng)歷基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、工程化集成與驗(yàn)證等階段，才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，像衛(wèi)星導(dǎo)航那樣普及到廣大用戶手中。
（作者系中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院高級(jí)工程師）
責(zé)任編輯：胡惠雯
