量子力学是关于非常小的粒子世界的科学，这些粒子比我们看到的任何东西都小数十亿倍。这是一个引人入胜的领域，我们所知道的物理定律不再适用。在量子层面上，粒子可以同时表现为粒子和波，同时存在于多个地方，甚至在很远的距离上瞬间相互影响。一个多世纪以来，这个领域一直让物理学家着迷和困惑。但除了其固有的神秘感外，量子力学还具有突破性实际应用的希望。其中之一是量子传感器的发展，这可能会彻底改变我们的导航方式。

想象一下全球导航系统（如GPS）不可用的情况。高层建筑很容易阻挡卫星信号，这些信号也容易被干扰、模仿或拒绝，导致导航不准确。据估计，即使是一天的卫星服务拒绝，也会给英国带来惊人的10亿英镑的损失。我们的传统导航系统运行良好，但它们有其局限性。它们不是自成一体的，会随着时间而漂移，这意味着除非定期用卫星校准，否则它们会失去准确性。这种情况对潜艇来说是一个特别棘手的问题，这些潜艇无法在水下访问GPS信号，因此必须依靠其他方法进行导航。

由伦敦帝国学院的一个团队开发的量子传感器原型最近与英国皇家海军合作进行了测试，这标志着将量子技术从实验室带入现实世界的一个重要里程碑。在皇家海军研究船XV Patrick Blackett上测试的量子传感器原型是未来无GPS导航的有前途的设备。该传感器集成到Qinetiq NavyPOD中，这是一个可互换的快速原型平台，并在船上的海运集装箱中进行了测试。

这种量子传感器实际上是一种新型的加速度计，一种测量物体速度随时间变化的设备。通过将此信息和物体的初始位置相结合，可以计算当前位置。这与手机和笔记本电脑等设备中使用的当前加速度计相似。然而，如果没有外部参考，这些传统的加速度计无法在更长的时间内保持其准确性。

虽然导航的概念在表面上很简单，但它在现实世界中的实现，特别是在没有GPS信号的情况下，带来了重大挑战。这些挑战之一是漂移，由于测量中小误差的积累，船只的计算位置随着时间的推移偏离其实际位置。对于无法在水下接收GPS信号的潜艇来说，如果没有GPS修复，这种漂移可能每天导致长达一公里的错误。进入量子加速度计，有望将这种漂移减少到一米。

量子加速度计利用量子力学原理，在测量加速度方面实现了前所未有的精度。它们建立在诺贝尔奖得主的发现之上，即激光可以捕获原子云并将其冷却到接近绝对零度。在这种超冷状态下，原子进入量子状态，很容易被外力扰动。然后使用第二束激光束来跟踪这些扰动引起的原子云中的任何变化，这些变化用于计算导致这些扰动的外力的大小。当原子通过传感器移动时，一系列激光脉冲创造了一个“光学标尺”，可以精确测量原子的加速度。这种测量方法有可能消除当前技术中看到的漂移，从而在长时间内显著提高准确性。

然而，这项技术并非没有其局限性。例如，加速度计无法区分微小的引力效应和船只运动引起的加速度。正如一位研究人员所指出的，如果一艘潜艇经过一座水下山体，其重力将其吸引到西边，那感觉就像向东加速。因此，需要非常好的重力图才能使用量子加速度计正确导航。

虽然这项技术仍处于早期阶段。XV Patrick Blackett上最近的测试只是了解量子导航的应用和利用的第一步。英国皇家海军和伦敦帝国理工学院团队对这项技术的潜力感到兴奋，并渴望继续测试和完善这项技术。