全空域、全时域的无缝定位导航是未来定位导航产业的技术制高点。随着量子精密测量技术的快速发展，基于量子精密测量的陀螺及惯性导航系统具有高精度、小体积、低成本等优势，将对无缝定位导航领域提供颠覆性新技术。

量子定位系统(QPS)是在量子力学理论和量子信息论的基础上近些年发展起来的新一代导航定位技术。 该系统中信息的产生、测量与传输均有量子的参与，因其具有量子纠缠、量子压缩等现象，在信息传输的保密性、安全性和测量精度等方面有着独特的优势，能够在很大程度上解决传统导航系统中存在的问题。自量子导航提出之后得到了欧美等国家的重视， 根据定位方式的不同，在卫星有源导航系统与惯性无源导航系统的基础上分别发展了量子有源与无源定位系统，目前研究人员在两个方向上均取得了一定的研究成果。随着量子理论与技术的进一步成熟，量子导航将在光量子通信与定位授时领域发挥越来越重要的作用。

量子定位系统（Quantum Positioning System, QPS） 概念最早是于 2001 年由美国麻省理工学院（MIT） 电子学研究实验室从事博士后研究的 Giovannetti Vittorio 博士、 Mac-cone Lorenzo 博士与从事量子计算和量子通信研究的机械工程学教授 Lloyd Seth 在他们发表的一篇名为《Quantum- Enhanced Positioning and Clock Synchronization》 文章中提出的。

卫星导航通过向在轨卫星发射电磁波脉冲并检测信号到达接收机的时间延迟来实现定位的方式导致了伪距误差。与卫星导航采用的电磁波信号不同， QPS 的测距信号是具有量子特性的脉冲信号， 这种信号是由没有电荷和质量的光子组成。 通过量子理论与量子力学，我们知道光量子具有奇特的量子纠缠和量子压缩特性。

量子导航定位系统与传统卫星导航类似，需要发射信号来实现用户的四维坐标的定位，所不同的是 QPS 采用的是相干关联的量子信号， 仍旧属于有源定位系统。此外，另一种基于量子惯性器件实现导航的量子定位系统，与传统惯性导航系统类似，靠自身惯性器件实现姿态调整与定位，不需要从在轨卫星实时接收信号进行测距和授时，属于无源定位系统。

而作为惯性导航中的最重要的组成部分，原子陀螺仪与原子加速度计的研究目前是最受关注的，陀螺仪性能的优劣可以通过其零度漂移与角速度灵敏度大小作为衡量标准。与传统陀螺仪测量方式不同，量子干涉陀螺仪基于原子的 Sagnac 效应， 冷原子团以相反方向沿着相同的抛物线轨迹形成冷原子束，在拉曼激光刺激下，形成干涉环路，由于双环路原子干涉相移差的一半即为旋转速率引起的相移，进而可以提取旋转速率，其中零偏漂移理论值远低于传统陀螺仪几个数量级。原子加速度计的精确测量同样是利用原子的 Sagnac 效应实现的，因此其发展轨迹与原子陀螺仪几乎一致。 除干涉陀螺仪之外，利用碱金属原子自旋的拉莫尔进动可以实现角速度的传感，这类陀螺仪称之为原子自旋陀螺仪。

无论是有源量子定位系统还是无源量子定位系统，与传统有源卫星导航和惯性导航系统相比均具有更加精确的测量精度。

对于基于量子纠缠和量子压缩的星基空天量子定位系统来说，频率相干关联的多脉冲信号及信号中大量压缩的光子为用户时空坐标带来了√MN的提高，突破了受限于海森堡测不准原理的传统测量极限。在量子理论不断发展的今天，其测量技术也不断改进与完善，可以预测今后的量子测量精度会取得进一步突破。

就无源量子定位系统而言，由于其由量子陀螺仪、量子加速度计、原子时钟等部分组成，基于原子物质波的干涉效应与原子自旋的传感测量具有高灵敏度和极低零偏漂移的优异特点，与传统惯导系统相比，测量精度误差更小，对载体姿态改变的检测灵敏度更高。 随着相关量子理论及误差分析模型的完善，该 QPS 技术将享有其作为新一代惯性导航系统的广阔应用空间。

另外，由于量子具有测不准原理与不可克隆原理，即未知的量子态无法进行测量，且量子态不可被精确复制。 此外， 将量子定位系统与量子密钥协议结合，在实现信息保密处理的同时， 提高了量子定位系统的安全性。

基于以上几点， 在 QPS 光子脉冲的传输过程中，即使丢失或被窃取了部分纠缠态光子，窃听者所得的测量结果是随机的，无效的， 无法根据这些光子来获取定位点的位置坐标。 此外， 一旦窃听者对传输信号进行截获，则破坏了原有的量子态， 由于量子纠缠的非局域性和关联特性， 系统会得到违反初始量子信息对应的计算结果， 可以用来检测通道是否被监听；同时， 系统可以通过更换通信频率或通道而继续正常工作。

而基于量子惯性器件的新一代惯导技术因其本身就是无源定位系统，不依赖外界信息，隐蔽性好，其保密性与安全性具有无可比拟的优势，并且随着降噪与抗干扰技术的提高，该系统的自主导航能力将得到进一步增强。

我国的“十二五”863计划地球观测与导航技术领域主题项目“基于磁共振的微小型原子自旋陀螺仪关键技术”由北京自动化控制设备研究所承担，项目研究开展一年半取得突破性进展。项目组攻克了核自旋-电子自旋耦合极化与检测等精密量子操控技术，完成了小型化磁共振气室、高效磁屏蔽等元件的精密设计与制造，并研制成功我国首个基于磁共振的原子自旋陀螺仪原理样机。样机零偏稳定性优于2°/h，成为世界上第二个掌握该技术的国家，与美国技术差距从10年缩小到7年。

项目所取得的研究成果为进一步提高基于磁共振的微小型原子自旋陀螺仪的精度与集成度，为支撑我国量子导航领域的发展打下了坚实的技术基础。原子陀螺仪的技术突破使现有应用于高端装备的无缝定位导航系统的体积、质量、功耗、成本等下降约两个数量级，将应用于大众定位导航市场，可在微小体积、低成本条件下实现米级定位精度，提供不依赖卫星的全空域、全时域无缝定位导航新能力。