美英另辟賽道，量子導航或最終取代GPS，人類將進入量子時代？

英國最近對量子導航進行了測試 這種利用波色愛因斯坦凝聚態作爲陀螺儀的裝置 第一次在導航中架起了量子世界和物質世界的橋樑 讓人類來到了微觀世界和宏觀世界的中間地帶 其精度有望達到目前最好慣性導航的五倍 並有可能在本世紀晚期時候徹底取代GPS衛星導航 這項聽起來絕對高大上的精密量子技術 實際是美國科羅拉多博爾德Inflexion公司和英國合作伙伴的成果 它們將如原子雲冷卻到納凱爾文範圍 也就是絕對零度之上 僅時的負九次方凱爾文左右 使其進入波色愛因斯坦凝聚態 所謂波色愛因斯坦凝聚態是波色和愛因斯坦預言的物質狀態 當溫度接近絕對零度時 波色只會聚集在同一量子態中 表現出量子力學的波力二向性 既能像波一樣干涉和衍射 又能像粒子一樣具有確定的位置和動量 相當於微觀世界和宏觀世界在這裏交匯 可以讓科學家們更深入的研究量子力學的基本原理 並開發出高精度的傳感器和測量設備 如量子加速度計 原子干涉儀等 進入波色愛因斯坦凝聚態的大量如原子 直徑可達幾微米 它們共享同一量子態和波函數 整體表現爲一個巨大的量子波包 就像一個單一的超級原子 讓科學家們可以通過標準實驗設備來操控 是不是來到了量子和宏觀世界的中間地帶 Inflexion公司的量子導航 就是利用激光轟擊和磁場操控 將如原子雲分類成兩個或者多個相干的波包 它們會沿着不同的路徑運動 由於路徑上的加速度差異會導致相位變化 科學家們通過測量它們重新匯合後的干涉圖樣的相位偏移 就可以精確計算出加速度 由於波色愛因斯坦凝聚態處於最低能量狀態 運動極其緩慢 因而可以極其精確的測量加速度 波色愛因斯坦凝聚態具有高度的相干性 原子之間的相互作用可以被精確控制 這讓長時間穩定的加速度測量成爲可能 而量子態的高靈敏度 也讓波色愛因斯坦凝聚態加速度計 可以檢測到極其微小的加速度變化 對地震監測 重力波探測等高精度領域意義重大 這種特性正是inflexion公司量子導航的優勢所在 雖然現在纔開始進行第一次測試 還處於原理證明的階段 但該公司預計它們的量子導航系統 可以讓輪船在一週的航行時間內 保持1 1 海里的精度 可以對比的是 目前最好的慣性導航系統 使用環形激光陀螺儀或者是光纖陀螺儀 可以在兩週時間內保持一海里的精度 這意味着量子導航可以達到最好慣性導航的五倍 這裏要解釋一下慣性導航 所謂慣性導航就是從某一個確定的地點出發 通過連續不間斷的測量加速度 利用積分運算來獲得順時速度和位置數據 可以不依賴外界的任何信息 不易受到干擾 但誤差會隨着時間累積越來越大 現在你開車進入隧道 失去GPS信號也能導航 就是利用了手機陀螺儀進行慣性導航 只是精度不高而已 Inflation的量子導航 本質上是用量子態來做陀螺儀 通過更精確的測量來減少誤差 精度越高誤差就會越小 根據他們的估計 2026年他們將實際測試技術的可靠性 技術成熟則需要很多年 但到本世紀晚期時候 這項技術最終可能會取代GPS 當然這一切也都還很遙遠 因爲在5月份進行了這項飛行測試中 他們的試驗設備極爲龐大 佔據了8到10個機架位 一個標準服務器機架長60到100釐米 寬48.3釐米 要將如此龐大的設備 縮小到現在GPS的大小 最小的是智能手機中的模塊 只有幾毫米 道路可能還極其漫長 當然這些設備佔最大體積的 還是智能系統 和超導量子計算機一樣 都需要巨大的西式智能機 來維持量子態 我們能夠寄希望的就是 某個基礎理論的突破 可以讓維持波色愛因斯坦凝聚態 不再需要冰箱 那麼設備尺寸就可以急劇縮小 大規模應用也就可能成爲現實 想想看 到那時候你只需要揣個手機 就可以室內室外上天下海 到處遨遊而不用擔心迷路了 當然那時候的導彈 也可以不受任何干擾 精確鑽到任何地方去爆炸 是不是很可怕 其實我覺得這項技術最迷人之處 是人類通過波色愛因斯坦凝聚態 把量子世界放大到了 更容易操控的地步 我們已真的開始進入量子世界 最後普及一下物質狀態的知識 很多人可能只知道有固態液態氣態三種 其實溫度來到絕對零度附近 就是波色愛因斯坦凝聚態 裏面的原子幾乎不再運動了 而往更高的溫度走 就是等離子態了 電子振託原子束縛成爲自由電子 和離子混合在一起成爲等離子體漿 而溫度更高的話 夸克也會從質子中子中振托出來 成爲夸克膠質漿 這是宇宙大爆炸後 二三十微秒時的狀態 說白了就是溫度不同 各種物質會在宏觀上 呈現不同的狀態 從而構成我們的萬千世界