准备起飞：IDTechEx 讨论无法干扰的卫星导航与量子传感器革命

现代世界在很大程度上依赖 GPS 卫星进行导航，但卫星的访问常常会丢失甚至受阻。这给多个行业带来了巨大的安全风险，尤其是航空航天、汽车和消费电子产品。继 BAE、QinetiQ 和 Infleqtion 于2024 年 5 月成功进行全球首次量子导航技术飞行演示后，本文概述了量子传感器的强大功能。

对更可靠的精确导航和授时技术解决方案的追求正在推动人们对量子传感器和原子钟技术的极大兴趣。这只是IDTechEx 的量子传感器市场报告中涵盖的这项革命性技术的众多应用之一，预计该行业将在十年内成为一个价值数十亿美元的行业。

与现有传感器相比，量子传感器提供更高的精度

量子传感器利用量子现象来实现对许多物理特性的高灵敏度测量。它们可以测量时间（原子钟）、磁场和电流、重力、角运动、单光子等。量子传感器市场 中的新兴量子技术 也受益于围绕量子计算 和量子通信技术的不断炒作（特别是考虑到它们在网络安全方面的应用）。

迄今为止，准确确定位置和当地时间的最常见方法是通过全球导航卫星系统（GNSS）的数据，例如美国军方的全球定位系统（GPS）。然而，在某些环境中，对 GNSS 数据的访问受到限制。这可能是由于高山地形阻挡信号或第三方欺骗造成的。精密导航系统面临着越来越大的压力，需要在 GNSS 被拒绝的环境中保持可靠性。

当三角测量功能丧失时能否继续导航取决于对行驶距离、方向、速度和时间的准确测量。现有的运动传感器、陀螺仪和本地振荡器（时钟）的精度不足以实现精确导航。量子传感器和原子钟的前景是，它们从根本上比传统方法精确得多，以至于它们可以在不依赖 GNSS 的情况下提供对精确惯性导航系统的本地访问。

原子钟和冷原子

例如，所有时钟都使用某种形式的谐振器或振荡器来测量时间。数百年来，时钟技术的准确性不断提高，从测量过去了多少小时发展到分钟、秒、毫秒等。灵敏度的提高取决于使用更高频率的振荡器。我们已经从使用日出循环到钟摆和石英，现在又发展到原子跃迁。现在市面上有一系列使用原子能级之间高频振荡的原子钟，以及其他正在开发的原子钟，旨在提供更高精度的时间测量，这些原子钟来自 Microsemi、Teledyne、Infleqtion 等公司。同样，量子陀螺仪可以利用量子特性（例如自旋）的敏感性来高精度地确定旋转。其他人甚至正在研究量子重力计和量子磁场传感器在测绘和导航应用中的潜力。

有多种硬件方法可以为各种传感应用制造量子技术。IDTechEx 的量子传感器市场报告涵盖了光子学、超导、碱蒸汽、金刚石等。 Infleqtion 在最近与 BAE 的飞行演示中倡导的方法是“超冷原子”。激光可用于捕获原子，使其能量水平如此之低，从而具有冷却效果。在这种状态下，可以操纵原子的量子特性来进行精确测量。凭借专门的磁光陷阱、超高真空室、离子泵、铷原子源和光学器件，Infleqtion 已经能够将位置测量与环境完全解耦，并有助于消除对 GPS 的飞机导航依赖。

市场展望

迄今为止，许多量子传感技术仍然太大或太昂贵，无法满足大众市场的导航需求。例如，一些冷原子技术仍然需要“可机架安装”的外形尺寸（对于量子来说仍然令人印象深刻，但与经典技术相比竞争力较差）。然而，除了在航空航天领域的准备方面取得进展外，量子技术 也可能有望进一步小型化。从长远来看，包括精密导航在内的许多应用都以芯片级制造为目标。这可能与未来 10 年自动驾驶汽车的采用相一致，这将代表此类产品的关键大批量用例。在这里，几厘米的导航精度至关重要，但尺寸、重量、功率和成本也是重中之重。此外，在密集的城市环境中，由于 GPS 信号丢失，许多智能手机和可穿戴设备用户通常很难使用 Google 地图等应用程序进行导航，而许多用户将来可能会更看重更高精度的解决方案。

总的来说，虽然量子传感器今天看起来有些小众，但它们的大众市场潜力不容忽视。随着航空航天领域的早期采用者开始展示量子技术的价值，其他市场（尤其是汽车市场）未来可能会效仿。随着量子传感创新的继续，也许在未来，我们可能会发现我们的汽车和口袋里也有“不可干扰的卫星导航”。