量子
量子物理学家发现了一种更安全的导航方式
量子物理学家开发新型导航系统，作为GPS的备用方案，提高导航安全性和可靠性。
GPS可能被黑客攻击，因此飞机和船舶需要一个备用系统。这些量子物理学家认为他们找到了答案。
2015年，美国海军学院决定让其毕业生重拾过去的技能，学习使用星象导航。九年前，由于GPS的精确度和使用简便性，学院曾将天文导航从必修课程中移除。
然而，最近发生的一些事件动摇了学院对GPS的信心。研究人员曾在地中海劫持了一艘游艇的导航系统。新泽西州的一名卡车司机因在纽瓦克机场附近使用非法信号干扰器而被罚款32,000美元。因此，学院认为其海军军官需要一个备用计划，以北极星作为他们的指引。天空是永远无法被黑客攻击的。
除非遇到云层。洛克希德·马丁公司的工程师Michael DiMario说："如果你看不到星星，该怎么办？"
他和他的团队可能找到了解决方案：量子传感器。
近五年来，DiMario的团队一直在研制一个原型：一个长约一英尺、直径六英尺的圆柱体，内含一个比盐晶体略大的人造钻石立方体。这颗钻石含有特殊的杂质；在其重复的碳原子立方晶格中，偶尔会有一个碳原子缺失，而其邻近原子是氮原子。这些所谓的氮空位中心在钻石内部形成类似分子的二元组，它们是出色的磁场传感器。
当绿色激光照射钻石时，氮空位中心会发出红光。由于量子力学效应，钻石发出的光量取决于其所处的磁场。研究人员已经使用这种钻石测量了乌贼神经元放电产生的磁场。
在导航方面，DiMario利用钻石检测地球磁场中独特的波动和凸起，即所谓的磁异常，这些异常已经被美国国家海洋和大气管理局绘制成图。一旦识别出异常，他就可以将其作为导航参考点。DiMario表示，目前船舶和飞机并不使用磁异常进行导航，因为大多数磁传感器只能测量场强，而无法测量场的方向。但他团队的设备可以同时测量两者。由于不需要与卫星通信即可工作，这种量子传感器更不易受到黑客攻击。
到目前为止，DiMario和他的团队已经在飞行、新泽西州的一辆SUV和切萨皮克湾的一艘船上测试了传感器的导航能力。最终，DiMario希望将圆柱体缩小到冰球大小，这样它就可以在任何类型的交通工具中作为GPS的独立检查工具使用。
DiMario和他的团队并不是唯一押注量子导航的人。在科罗拉多州的国家标准与技术研究所实验室，物理学家Azure Hansen正在研发用于感应旋转运动的量子陀螺仪。例如，飞行员目前使用一种陀螺仪来保持飞机水平，自动驾驶汽车也用它们来导航。但当前的陀螺仪会产生漂移，就像一个快钟随着时间推移变得越来越不准确。漂移程度相当大，以至于飞行员每隔一小时左右就必须重置陀螺仪，这是一个基本自动化的过程。自动重置效果很好——除非它出现故障。Hansen说，量子陀螺仪可能更可靠，因为它们根本不会漂移：它们的基本组成部分是原子，不会随时间变形。
Hansen的设备可以放在桌面上，大约相当于两个叠放的小冰箱大小。里面有一个比方糖还小的玻璃腔，内含800万个铷原子。激光引导这些原子，它们的行为更像是在池塘中相撞的波浪，而不是离散的粒子。这些碰撞产生的波纹图案在成像时看起来像一束条纹。如果腔体旋转，条纹也会旋转。条纹的数量表示旋转的程度；图案的变化甚至能揭示地球引力场的强度。Hansen说，这些旋转信息和地球场的测量结果结合起来也可以作为导航工具。与钻石磁力计一样，它也可以作为GPS的备用系统。
研究人员也在关注量子传感器在其他类型测量中的应用。NIST化学家Jay Hendricks开发了一种利用氦原子基本特性的压力传感器，飞机驾驶员最终可能用它来测量高度。该传感器的工作原理是将激光束射入充满氦气的玻璃腔，根据外部压力改变激光的颜色。他们已经使用这种设备的一个版本制定了压力的国家标准，航空公司将用它来校准所有压力传感器。波音和洛克希德·马丁都对这种设备表示了兴趣。
然而，量子导航仪器的生产问题仍然很大，一旦上市，它们的理想用途仍不明确。桑迪亚国家实验室的物理学家Pauli Kehayias说："它们确实有效，但我们仍然需要进行大量工程设计。仅仅因为它是量子的并不意味着它就更好。"
Hansen承认，缩小和完善这些设备可能需要数年时间。她的团队希望在未来十年内将陀螺仪推向市场，开始在陆地、空中、海上甚至太空提供更安全的导航协议。Hansen说："我不确定普通人是否会欣赏它的量子性。我认为他们可能不会真正注意到这种变化。"
尽管量子导航可能无法超越当前工具的精确度，但它可能不需要这样做，就像你飓风应急包里的罐装意大利面不需要比手工制作的意大利细面条更美味一样。DiMario谈到他的磁力计时说："在实际条件下，如果我能达到GPS 200米内的精度，那将是一个巨大的成功。"他预计，即使有了他的设备的商业版本，船舶和飞机的导航系统仍将主要使用GPS。量子传感器将作为备用系统，无论天气如何都能发挥作用。