量子傳感的導航應用研究現狀與展望

吳德偉， 苗 強， 何思璇， 任釗恒， 魏天麗

(空軍工程大學信息與導航學院， 西安， 710077)

導航系統主要為運行體提供精確的時空信息。初期，利用目視推算等方法，出現了磁羅盤等導航裝置。20世紀20年代出現了無線電羅盤等導航設備。第二次世界大戰前后，儀表著陸系統、羅蘭C等無線電導航系統相繼問世，1964年子午儀衛星導航系統建成，此后建成了GPS等衛星導航系統。導航系統向著智能化、自主化、組合化方向發展；導航體制不斷更新，出現了新一代地形輔助、天文導航等自主導航系統。迄今為止，所有獲得廣泛應用的導航技術體制無一例外均基于經典信息的產生、傳輸和探測理論與技術，使得導航參量的量測精度始終受限于標準量子噪聲極限制約[1]。

此外，隨著對導航系統的依賴性不斷加強，導航系統的安全性、可靠性問題也成為必須重點關注的問題。而量子技術的興起，無疑將新的機遇帶給了導航系統，量子傳感改變了傳統導航系統中導航傳感器的感知方式。此外，量子力學中的非經典特性，可以實現保密性和抗欺騙干擾。事實上，利用量子傳感器實現量子導航成為了未來導航發展的新趨勢[2]，量子導航領域已然成為量子傳感技術的主試驗場。

1 量子傳感技術概述

隨著科學技術的不斷進步，測量和探測在生產生活中占據著非常重要的地位，提高傳感器精度是人們一直致力追求的目標。傳統方法上一種是提高測量所用“尺子”的分辨率，另一種是通過多次測量減小誤差，理論上精度可以達到經典力學框架下的標準量子噪聲極限[3]。

現代研究表明，基于量子特性的傳感方式可以實現突破標準量子噪聲極限的高精度測量[4]。量子傳感器是以量子力學為指導，以量子系統作為傳感介質，利用量子效應設計的傳感器件。量子傳感原理圖如圖1所示。

圖1 量子傳感的理論框架圖

目前，國內外相關研究的主要實驗體系可分為以下4種：①冷原子傳感器；②金剛石NV色心傳感器；③SQUID超導量子干涉器；④無線量子傳感器。各種類又可以進一步劃分為不同形式的裝置，如圖2所示。

圖2 發展中的量子傳感器

量子傳感具有超高的靈敏度和超高的精度，其應用已涉及勘察測繪和導航定位等多個領域[5]。這里主要綜述導航應用中的量子傳感技術。

2 導航應用中的量子傳感

傳感器作為一種探測和測量裝置，其功能就是敏感被測信息并轉換成電信號或其他形式的信號輸出。量子導航應用中研究較多的實驗體系主要有原子、超導和光子等量子系統。從傳感器信息獲取方式的角度對現有導航傳感器歸類，可分為有源導航傳感器和無源導航傳感器。下表列出了量子傳感器的導航應用情況。

表1 量子傳感器的導航應用

2.1 無源量子傳感器

2.1.1 原子鐘

原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時產生的電磁波的頻率來計算時間的。原子鐘發展過程如圖3所示。目前，最先進的光鐘不確定度和穩定度最高可以達到10-19量級，其中美國JILA的Sr光鐘不穩定度已經可以達到2×10-18[6]。NIST的Yb光鐘的不確定度和穩定度分別達到了1.4×10-18和3.2×10-19[7]。而近年來研制的量子邏輯鐘不確定度指標最高達到了9.4×10-19[8]。

圖3 原子鐘發展

我國的原子鐘研究開始于20世紀60年代。目前，武漢物理與數學研究所已成功制造出Ca離子光鐘，時鐘不確定度降低到2.2×10-17[9]。

2.1.2 原子陀螺

陀螺儀的發展主要經歷了機電式、光學式和目前正在探索的原子式以及量子增強式光學陀螺。根據原理不同，原子陀螺可以分為原子干涉陀螺儀、SERF原子自旋陀螺儀、核磁共振陀螺儀三種。

2.1.2.1 原子干涉陀螺儀

原子干涉陀螺儀原理如圖4所示。

圖4 原子干涉陀螺原理

2.1.2.2 SERF原子自旋陀螺儀

SERF原子自旋陀螺儀利用極化的堿金屬原子和惰性氣體原子自旋保持定軸來敏感角速度，如圖5所示。

圖5 SERF陀螺原理

2.1.2.3 核磁共振陀螺儀

美國Northrop Grumman公司2014年首次研制出微型封裝核磁共振陀螺儀[21]，原理如圖6所示。2018年，該公司又提出一種新型鐵氧體磁屏蔽內層結構。

圖6 核磁共振陀螺原理

2.1.3 量子增強光學陀螺

光學陀螺是基于Sagnac效應的慣性量測元件，其工作物質為光波。Bertocchi小組于2006年首次實現了量子光學Sagnac效應，如圖7所示。

圖7 Bertocchi小組單光子Sagnac干涉實驗原理圖[23]

2007年Kolkiran小組在理論上研究了利用糾纏光子增強Sagnac效應，如圖8所示。

圖8 Kolkiran小組所提方案原理圖[24]

2013年，上海交通大學提出利用雙模壓縮相干光來增強Sagnac效應[25]。2017年，空軍工程大學提出將相干態和Fock態注入光纖陀螺增強Sagnac效應，研究利用奇偶測量實現了量子態的最優測量，當Fock態的平均光子數N遠小于相干態時，其陀螺精度提高了(1+2N)倍[26]。然而該方案無法在旋轉角為零時獲得最佳靈敏度，為此提出了基于壓縮真空光的增強方案[27-28]，將單模壓縮光與相干光分別注入陀螺，并采用平衡零拍探測消除了本地振蕩器的所有技術噪聲和經典噪聲，其相位靈敏度能提高er倍，其中er為壓縮態的壓縮強度。

2.1.4 原子加速度計

原子加速度計是利用冷原子干涉效應來實現的，其中敏感垂直方向重力的原子加速度計也叫做原子重力儀或重力梯度儀。原子重力儀的原理如圖9所示，原子經過磁光阱冷卻之后，使原子自由下落或呈噴泉向上拋出，通過在縱向上作用拉曼激光脈沖來實現原子干涉。干涉的相位結果包含重力信息，體現在原子內態布居數，其關系表現為P2=(1-cos(keffgT2))/2。通過內態探測，能夠實現對重力加速度的測量。

圖9 原子重力儀原理圖

2.1.5 量子磁力儀

地磁導航是通過地磁傳感器測得的方向做指示，或實時獲得地磁數據，與計算機中存儲的地磁基準圖匹配定位來實現的導航技術，具有無源、無輻射、全天時、全地域、全天候、能耗低等優良特征。高性能的弱磁性探測技術是地磁導航的技術基礎。

2.1.5.1 超導量子干涉磁力儀

超導量子干涉磁力儀(Superconductor Quantum Interference Device，SQID)是將磁通基于超導約瑟夫效應和磁通量子化現象轉化為電壓的磁通傳感器，具有可以檢測非常微弱的磁場并且精度很高的優點。超導量子干涉磁力儀是一對由超導材料制作的閉合環和環中間的一個很薄的絕緣隧道結(稱為約瑟夫森結)組成的[36]，如圖10所示。

圖10 超導量子干涉磁力儀原理圖

布賴恩·戴維·約瑟夫森在1962年預測了約瑟夫森效應，由此基礎上發展出超導量子干涉磁力儀，主要有兩種類型，即直流超導量子干涉磁力儀(DC SQUID)和射頻超導量子干涉磁力儀(RF SQUID)[37]。1964年，Jaklevic等提出了雙Josephson結量子干涉模型[38]。1987年Koch和Nakane首先制造出了高溫直流超導量子干涉磁力儀。在這之后，德國GFZ利用SQUID進行了地面電磁法的相關試驗工作。三軸SQUID磁力儀被美國特瑞斯坦技術公司開發出來[39]。在國內，北京大學物理系和中國科學院物理研究所聯合開發了高溫超導磁力儀[40]。

2.1.5.2 光泵磁力儀

光泵磁力儀(Optically Pumped Magnetometer,OPM)是一種高精度和高靈敏度的磁測儀器。其工作原理是原子能級在磁場中因塞曼效應產生劈裂，此時對原子進行光泵浦，原子在電磁波作用下發生光磁共振效應，待測磁場大小可以根據所加電磁波頻率計算得出，如圖11所示。

圖11 光泵磁力儀原理圖

光泵磁力儀種類很多，可按照測量參數不同，可分為分量磁力儀、梯度磁力儀等；按敏感物質的原子種類不同，分為堿金屬光泵磁力儀和氮(He)光泵磁力儀；按技術設計方案的不同，可分為跟蹤式光泵磁力儀和自激式光泵磁力儀等。

2.1.5.3 CPT磁力儀

光學鏡片、激光器、原子氣室和光電探測器構成CPT磁力儀的傳感器部分[41]，圖12展示了CPT磁力儀傳感器的內部結構。

圖12 CPT磁力儀系統結構

2.2 有源量子傳感器

量子有源傳感器是通過接收外部人工制造信號，以被測物理量對環境空間表征進行探測的傳感器。

2.2.1 光子探測器

單光子探測器能夠實現對光的最小單元光子的探測，可以對單個光子進行計數，極大地提高了光譜測量的靈敏性和精度。2001年由美國麻省理工學院實驗室的V.Giovannetti研究團隊提出了一種利用量子糾纏和壓縮特性的定位方式[45]，理想化結構如圖13所示。

圖13 理想化實驗結構示意圖

近年來隨著超導電路量子電動力學系統及腔量子電動力學系統的不斷成熟，基于此的微波單光子探測器研究也不斷深入，目前已衍生出兩種較為成熟的微波單光子探測技術，即基于電流偏置約瑟夫森結的腔光子探測技術和基于超導人工原子的傳輸線單光子探測技術[48]。

2007年，Romero設計了一種基于電流偏置的約瑟夫森結實現微波腔光子探測的方案，如圖14所示[49]。2020年，Peropadre將電流偏置約瑟夫森結耦合到微波傳輸線，理論上探測效率可達100%[50]。2014年，Flurin等利用約瑟夫森環形調制器實現3D微波超導腔與傳輸線的耦合，并實現了微波光子的捕獲、存儲和讀取，其效率達80%[51]。2019年，同組的Peronnin實現了對Transmon量子比特的連續測量。2020年，該小組在此基礎上實現了微波光子計數器，可同時分辨三個光子，其探測效率為96%[52]。

圖14 基于電流偏置約瑟夫森結的微波腔光子探測模型[51]

2.2.2 腔光力學微腔

腔電光力轉換器(Electro-Opto-Mechanical，EOM)是一種雙模、跨頻段的廣義腔光力系統，將一個納米機械振子同時作為光學諧振腔的可移動腔鏡和微波諧振腔中可移動電容極板，在光力作用下實現對于微波光子-機械振動聲子-光波光子之間的有效耦合。在微納EOM轉換器中，單個微波光子-機械振動聲子-光波光子可以實現超強耦合，意味著微納EOM轉換器可以實現精確、高效的頻率轉換和態轉移，進而將微波單光子、糾纏微波信號一一對應地轉移到器件和技術成熟高效的光波頻段進行探測，提高探測效率，同時可以大幅降低成本和縮短研制時間。當控制機械振子工作于機械暗態時，還可以實現絕熱轉移，達到對噪聲的強力抑制，這些優勢使得EOM轉換器十分適合作為糾纏微波信號、微波單光子的探測器。

圖15 各種不同質量和機械振動頻率的腔光力系統

2.2.3 HOM干涉儀

HOM干涉最早是1987年Mandel小組在實驗中觀測到的，該小組利用參量轉換產生的糾纏光子對實現了雙光子干涉，圖16為HOM干涉原理圖。

圖16 HOM干涉儀原理圖

2004年，美國軍隊研究實驗室(ARL)Bahder等人提出了一種利用糾纏光子對二階量子相干的量子定位系統(QPS)具體方案[78]。

國內空軍工程大學楊春燕等人基于Thomas B.Bahder博士提出的干涉式QPS的星座布置方案，研究了QPS位置精度因子(PDOP)的相關影響因素[79]。中國科學技術大學的叢爽等人對基于3顆衛星的星基量子定位系統的測距與定位過程進行了深入研究并提出相關方案[80]，重點研究了ATP中的精跟蹤系統[81,82]，通過研究量子糾纏光符合計數與到達時間差，對符合門寬、采集時間和延時增加步長進行參數優化[83]。

3 量子導航技術發展展望

研究表明，已經可以利用量子傳感器實現時間、加速度、重力和磁場等精密測量，但對于量子傳感的導航應用來說，仍然存在以下幾點問題：

1)量子導航缺少完整的系統體制研究。目前量子導航的相關研究主要是從傳感器層面進行的，很少有完整系統的相關報道。比如量子慣性導航還不能做到陀螺和加速度計的集成，實現量子慣性導航系統的全慣性參數測量。

2)如何實現量子導航的組合導航方式。由于單一導航系統存在一定的局限性，為滿足高可靠性、全地域、全天時、全天候導航要求，組合導航技術成為了必然的趨勢，而量子導航也必然要作為其中的一種導航方式，與其他傳統導航系統進行組合。

3)量子傳感器的工作條件苛刻。部分超導量子傳感器工作條件需要大體積的制冷設備，儀器體積和功耗偏大，急需開展高溫超導材料或可替代量子傳感器的研究工作。

目前已經有研究團隊開始探索量子導航與傳統導航傳感器的集成。國外Canciani研究了冷原子干涉慣性導航與傳統慣性導航系統以及GPS系統的組合方式[84]。Cheiney等提出了一種量子加速度計和經典加速度計組合方案[85]。