摘要：GPS 容易被干扰？别担心，量子导航来救场！这项技术利用光和原子的量子特性，打造超灵敏传感器，让飞机、潜艇摆脱对卫星的依赖。 从原子钟到磁场探测，量子导航正快速发展，有望成为未来导航的关键。虽然还在发展中，但这项技术的前景令人兴奋，或将彻底改变我们的导航方式。

中文译文

量子导航或将解决军方 GPS 干扰问题

2025年12月16日

GPS 脆弱性的日益凸显，正在推动更具弹性的、基于原子技术的导航工具的发展。

2025年9月末，一架搭载西班牙国防部长的西班牙军用飞机在飞往立陶宛的一个基地时，据报道遭到了一种攻击，并非来自火箭或防空炮弹，而是来自干扰其 GPS 系统的无线电传输。

飞机安全着陆，但这只是成千上万受影响的飞机中的一架，这些飞机受到了自 2022 年入侵乌克兰以来俄罗斯大规模 GPS 干扰行动的影响。对空中交通日益增长的不便以及真实灾难的风险，凸显了 GPS 的脆弱性，并促使人们关注更安全的导航方式，以应对干扰和欺骗，欺骗是指欺骗 GPS 接收器，使其认为自己位于其他地方。

美国军方承包商正在推出使用更强大、更智能信号的新型 GPS 卫星，工程师们正在努力基于其他来源提供更好的导航信息，例如蜂窝传输和视觉数据。

但另一种正在实验室中出现的方法是量子导航：利用光和原子的量子特性，构建超灵敏传感器，使车辆能够独立导航，而不依赖卫星。随着 GPS 干扰变得越来越严重，量子导航的研究正在迅速发展，许多研究人员和公司现在正争先恐后地测试新的设备和技术。 近几个月来，美国国防高级研究计划局 (DARPA) 及其国防创新部门已经宣布新的拨款，用于在军用车辆上测试该技术，并为实际部署做好准备。

追踪变化

也许最明显的导航方式是知道你的起始位置，然后通过记录速度、方向和行驶时间来跟踪你的行进路线。但是，虽然这种方法（在该领域被称为惯性导航）在概念上很简单，但很难做好；在这些测量中的任何微小的不确定性都会随着时间的推移而累积，并导致以后出现大的误差。 英国量子使能精密导航与定时 (QEPNT) 中心的主要研究员 Douglas Paul 表示，现有的专业惯性导航设备在行驶 100 小时后可能会有 20 公里的误差。与此同时，智能手机中常用的廉价传感器在一小时后产生的误差是其两倍多。

“如果你引导一枚飞行一分钟的导弹，这可能就足够了，”他说。“如果你在一架客机上，那绝对不够好。”

惯性导航的更精确版本则使用依赖于亚原子粒子量子行为的传感器，以更准确地测量加速度、方向和时间。

包括美国的 Infleqtion 在内的几家公司正在开发量子陀螺仪（跟踪车辆的方位）和量子加速度计（可以揭示其行驶距离）。 Infleqtion 的传感器基于一种称为原子干涉测量法的技术：一束铷原子被精确的激光脉冲照射，将原子分成两条单独的路径。 稍后，其他激光脉冲将原子重新组合，然后用探测器进行测量。如果车辆在原子运动时发生了转弯或加速，两条路径将略微失相，探测器可以解释这种失相。

去年，该公司在英国军事测试基地飞行的定制飞机上试用了这些惯性传感器。 今年 10 月，Infleqtion 进行了首次真实世界的测试，测试了一代新型惯性传感器，该传感器使用稳定的原子流而不是脉冲，从而可以进行连续导航并避免长时间的停滞时间。

Infleqtion 还拥有一款名为 Tiqker 的原子钟，可以帮助确定车辆行驶的距离。 这是一种光学钟，它使用调谐到特定频率的红外激光器来激发铷中的电子，然后以一致的、已知的速率释放光子。该设备“大约每 200 万年才会损失一秒”，负责该项目的 Max Perez 说，它适合标准的电子设备机架。 它已经在英国的飞行、在新墨西哥州的美军地面车辆以及 10 月底的无人潜艇上通过了测试。

“Tiqker 在这些条件下运行良好，这对于前几代光学钟来说是闻所未闻的，”Perez 说。 最终，该公司希望通过切换到由微芯片产生的激光器来使该装置更小、更坚固。

磁场

被剥夺基于卫星的导航的车辆并非完全孤立无援；它们可以从围绕地球的磁场和引力场中获得有用的线索。这些场随位置略有变化，并且这些变化（或异常）记录在各种地图中。通过精确测量局部磁场或引力场，并将这些值与异常地图进行比较，量子导航系统可以跟踪车辆的位置。

澳大利亚斯威本科技大学的导航研究员 Allison Kealy 正在研究这种方法所需的硬件。她的团队使用一种称为氮空位金刚石的材料。在 NV 金刚石中，晶格中的一个碳原子被一个氮原子取代，并且一个相邻的碳原子被完全移除。NV 缺陷处电子的量子态对磁场非常敏感。仔细地激发电子并观察它们发出的光，提供了一种精确测量金刚石位置磁场强度的方法，从而可以推断其在地球上的位置。

Kealy 说，这些量子磁力计比传统磁力计有几个很大的优势，包括它们除了测量地磁场的强度之外，还测量其方向。 额外的信息可以使确定位置更容易。

该技术距离商业部署还很遥远，但 Kealy 和几位同事去年年底在澳大利亚的一系列飞行中成功测试了他们的磁力计，他们计划在今年和明年进行更多试验。 “这就是它变得激动人心的地方，因为我们从理论模型和受控实验过渡到实际的、可操作的系统，”她说。 “这是一个重大进展。”

精密系统

其他团队，例如澳大利亚量子技术公司 Q-CTRL，专注于使用软件从嘈杂的量子传感器构建强大的系统。 量子导航涉及将那些在实验室的平静条件下磨练出来的精密传感器，放入在急转弯、剧烈颠簸和波浪中摇摆的车辆中，所有这些都会干扰传感器的功能。 即使是车辆本身也会给磁力计带来问题，尤其是“飞机由金属制成，并且有所有这些电线”，Q-CTRL 的首席执行官 Michael Biercuk 说。 “通常情况下，噪声是信号的 100 到 1,000 倍。”

在 Q-CTRL 工程师去年在一架特别改装的赛斯纳飞机上进行了磁导航系统的试验后，他们使用机器学习来分析数据，并尝试从所有噪声中筛选出信号。 据 Biercuk 称，最终他们发现，与战略级传统惯性导航系统相比，他们可以更精确地跟踪飞机的定位，精度高达 94 倍。 他们在去年春季的一篇非同行评审的论文中公布了他们的发现。

8 月，Q-CTRL 从 DARPA 获得了两份合同，以开发其名为 Ironstone Opal 的“软件加固”磁导航产品，用于国防应用。该公司还在与商业合作伙伴（包括国防承包商诺斯罗普·格鲁曼公司、洛克希德·马丁公司和航空航天制造商空中客车公司）测试该技术。

“诺斯罗普·格鲁曼公司正与 Q-CTRL 合作开发一种可以承受现实世界物理需求的磁导航系统，”该公司量子系统架构师 Michael S. Larsen 说。 “像磁导航和其他量子传感器这样的技术将释放即使在 GPS 被拒绝或退化的环境中提供引导的能力。”

现在，Q-CTRL 正在努力将 Ironstone Opal 放入更小、更坚固的容器中，以供部署使用；目前，“它看起来像一个科学实验，因为它确实是一个科学实验，”Biercuk 说。 他预计明年将交付第一批商业产品。

传感器融合

即使量子导航正在成为基于卫星导航的合法替代方案，卫星本身也在不断改进。现代 GPS III 卫星包括名为 L1C 和 L5 的新民用信号，这些信号应该比目前的信号更精确，并且更难被干扰和欺骗。这两者都计划在本十年末全面投入运营。

美国和盟军军事用户应该可以使用更坚固的 GPS 工具，包括 M-code，这是一种正在推出的新型 GPS 信号，以及区域军事保护，这是一个集中的 GPS 波束，将被限制在较小的地理区域。后者将在 GPS IIIF 卫星投入轨道时开始提供，第一颗卫星计划于 2027 年升空。 洛克希德·马丁公司的发言人表示，具有 M-code 的新 GPS 卫星的功率是以前卫星的八倍，而 GPS IIIF 型号的功率将是前者的 60 倍。

其他计划涉及使用低地球轨道上的导航卫星—— SpaceX 提供互联网服务的 Starlink 星座所居住的区域——而不是 GPS 使用的中地球轨道。由于 LEO 中的物体离地球更近，因此它们的信号更强，这使得它们更难被干扰和欺骗。 LEO 卫星也会更快地穿越天空，这使得它们更难被欺骗，并帮助 GPS 接收器更快地锁定它们的位置。 “这确实有助于信号汇聚，”荷兰代尔夫特理工大学的卫星导航研究员 Lotfi Massarweh 说。 “他们可以在短短几分钟内获得一个良好的定位。所以这是一个巨大的飞跃。”

最终，Massarweh 说，导航将不仅取决于卫星、量子传感器或任何其他单一技术，而且取决于所有技术的组合。 “你总是需要从传感器融合的角度来思考，”他说。

车辆使用的导航资源将根据其环境而变化——无论是客机、潜艇还是城市峡谷中的自动驾驶汽车。但量子导航将成为一个重要的资源。 他说：“如果量子技术真的能像我们在文献中看到的那样交付成果——如果它能稳定一周而不是几十分钟——那么它就是一个完全的改变游戏规则者。””

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