英國實測量子導航，或最終取代GPS，人類已開始進入量子時代？

英國最近已對量子導航技術進行了測試，這種利用玻色-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微觀量子世界和宏觀物質世界的橋樑，其精度有望達到目前最好的慣性導航的5倍，並有可能在本世紀晚些時候徹底取代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的Infleqtion公司和英國合作伙伴的成果，他們將銣原子雲冷卻到納開爾文（nK）範圍，也就是10^-9開爾文（K）左右，使其進入玻色-愛因斯坦凝聚態。

玻色-愛因斯坦凝聚態是玻色和愛因斯坦預言的物質狀態，當溫度接近絕對零度時，玻色子會聚集在同一量子態中，表現出量子力學的波粒二象性，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會，可以讓科學家們更深入地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。

進入玻色-愛因斯坦凝聚態的大量銣原子，可能有10^5-10^6個之多，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。

Infleqtion公司的量子導航，就是用激光轟擊和磁場操控，將銣原子雲分裂成兩個或多個相干的波包，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會合後的干涉圖樣的相位偏移，就可以精確計算出加速度。

由於玻色-愛因斯坦凝聚態處於最低能量狀態，運動極其緩慢，熱噪聲對測量的影響也極小，因而可以極其精確地測量加速度；玻色-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，也讓玻色-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Infleqtion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，但該公司預計他們的量子導航系統可以讓輪船在一週的航行時間內保持1/10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光纖陀螺儀，可以在兩週時間內保持1海里的精度，這意味着量子導航可以達到最好慣性導航的5倍。

所謂慣性導航，就是從某一個確定的地點出發，通過連續不間斷地測量加速度，利用積分運算來獲得瞬時速度和位置數據，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。

Infleqtion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，但到本世紀晚些時候，這項技術最終可能會取代GPS。

當然，這一切都還很遙遠。因爲在5月份進行的這項飛行測試中，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60-100釐米，寬48.3釐米。要將如此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製冷系統，和超導量子計算機一樣，都需要巨大的稀釋製冷機來維持量子態。一旦基礎理論突破，不再需要冰箱了，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。

所以我覺得這項技術最迷人之處，其實是在量子世界和宏觀世界之間搭起了一座橋樑，人類已真的開始進入量子世界了。