这种新的量子技术可能会彻底改变我们导航世界的方式

量子技术不再局限于实验室，它正在进入我们的日常生活。现在，它即将改变一些更根本的事情：我们如何驾驭世界。

想象一下，潜艇在海底行驶，永远不需要浮出水面以获取位置更新。

飞机以不可动摇的精度飞越各大洲，不受信号中断的影响。

应急响应人员可以完美地在烟雾弥漫的建筑物或地下隧道中穿行，而自动驾驶汽车则可以在密集的城市环境中绘制完美的路线。

这些场景听起来像科幻小说，但它们都可以通过一种称为量子导航的新兴方法实现。

这项改变游戏规则的技术有朝一日将以我们才刚刚开始想象的方式重新定义运动、探索和连接。那么，它是什么呢？

卫星导航是许多事情的核心

全球导航卫星系统，如 GPS，深深植根于现代社会。我们每天都使用它们进行导航、订购送货和标记照片位置。但它们的影响远不止于方便。

来自地球轨道卫星的计时信号验证了股票市场交易，并有助于平衡电网。农业、卫星导航Guides 自动拖拉机和帮助召集牛.

紧急服务依靠导航卫星系统进行快速响应，从而减少所需时间帮助有需要的人.

尽管有它们的好处，但像 GPS 这样的系统非常脆弱。卫星信号可能会受到干扰或干扰。这可能是由于正在进行的战争、恐怖主义或出于合法（或非法）的隐私问题。地图就像 GPSJAM 一样显示实时干扰热点，例如中东、俄罗斯和乌克兰周边地区以及缅甸。

太空环境也不是一成不变的。太阳定期喷射出巨大的等离子体球，导致我们所知道的太阳风暴.这些发射物撞击地球磁场，扰乱了卫星和 GPS 信号。这些影响通常是暂时的，但它们也会造成重大损害。取决于风暴的严重程度.

全球导航卫星系统中断不仅仅是不便，还会破坏我们最关键的基础设施。

据估计，丢失 GPS 只会使美国经济损失惨重每天约 10 亿美元（15 亿澳元），导致互连系统出现级联故障。

量子导航救援

在某些环境中，来自卫星的导航信号效果不佳。例如，它们不会渗透到水或地下空间。

如果您曾经尝试过在摩天大楼林立的城市中使用 Google 地图，您可能会遇到问题。高层建筑会导致信号反射，从而降低准确性，并且建筑物内的信号会减弱或完全不可用。

这就是量子导航有一天可以发挥作用的地方。

量子科学描述了粒子在小于原子的尺度上的行为。它揭示了令人难以置信的效果，例如叠加 - 粒子同时以多种状态存在 - 以及纠缠（当粒子通过空间和时间以违背经典理解的方式连接起来时）。

这些影响很脆弱，通常会在观察下崩溃，这就是为什么我们在日常生活中不会注意到它们的原因。但量子过程的非常脆弱也使它们成为精致的传感器。

传感器是一种设备，可以检测周围世界的变化，并将该信息转化为我们可以测量或使用的信号。想想当我们走近它们时会自动打开的门，或者会响应我们的触摸的手机屏幕。

量子传感器之所以如此敏感，是因为量子粒子会对其环境中的微小变化做出反应。与可能会错过微弱信号的普通传感器不同，量子传感器非常擅长检测时间、重力或磁场等事物的最小变化。

它们的灵敏度来自于当周围环境中的事物发生变化时，量子态很容易发生变化，这使我们能够比以前更准确地测量事物。

这种精度对于强大的导航系统至关重要。

我们的团队正在研究使用量子传感器测量地球磁场以进行导航的新方法。通过在钻石中使用量子效应，我们可以实时检测地球的磁场，并将测量结果与预先存在的磁场图，为 GPS 等卫星导航提供了一种弹性替代方案。

由于磁信号不受干扰影响并在水下工作，因此它们提供了一个很有前途的备份系统。

导航的未来

未来的导航将集成量子传感器以提高定位精度（通过地球的磁场和引力场），改善方向（通过量子陀螺仪），并实现卓越的计时（通过紧凑的原子钟和互连的计时系统）。

这些技术有望补充并在某些情况下提供传统卫星导航的替代方案。

然而，虽然量子导航的潜力是显而易见的，但使其成为现实仍然是一个重大挑战。世界各地的研究人员和公司都在努力改进这些技术，学术界、政府实验室和工业界正在做出重大努力。

初创公司和老牌公司正在开发量子加速度计（测量运动的设备）和陀螺仪，但大多数仍处于早期测试阶段或专业应用。

主要障碍包括减小量子传感器的尺寸和功率需求，提高它们在受控实验室设置之外的稳定性，以及将它们集成到现有的导航系统中。

成本是另一个障碍 – 当今的量子设备既昂贵又复杂，这意味着要花几年时间才能得到广泛采用。

如果能够克服这些挑战，量子导航就可以以微妙而深刻的方式重塑日常生活。虽然量子导航不会在一夜之间取代 GPS，但它可能会成为保持世界运转的基础设施的重要组成部分。

艾莉森·基利，创新星球研究所所长，斯威本科技大学

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