杨元喜1,2, 任夏1,2, 张强3,4, 侯明强5, 肖定邦6, 朱凌晓6
1.智能空间信息国家级重点实验室，北京 100081
2.西安测绘研究所，陕西 西安 710054
3.中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心，安徽 合肥 230026
4.合肥国家实验室，安徽 合肥 230088
5.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院精密大地测量与定位全国重点实验室，湖北 武汉 430077
6.国防科技大学智能科学学院，湖南 长沙 410073
摘要
量子定位、导航、定时（量子PNT）技术是量子物理、量子传感与自感知导航和量子计时相结合的交叉技术，量子PNT传感器是隐蔽、连续、稳健式自主PNT终端发展的重要方向。本文定义了量子PNT的概念和内涵，论述了量子PNT与现有PNT体系的关系，包括北斗PNT、综合PNT、弹性PNT和智能PNT等，讨论了量子PNT发展的重要性与意义，梳理了量子PNT发展现状和存在的问题，重点分析了量子PNT研究内容、关键技术及面临的挑战，分别描述量子PNT供给侧和应用侧主要发展方向，供给侧应侧重量子PNT集成原理及量子噪声操控与抑制等技术；应用侧应聚焦量子传感器与综合PNT终端的集成，侧重发展芯片化量子PNT传感器、多原理PNT微型化集成终端研制与应用，核心目标是为安全PNT、可信PNT、自主PNT服务提供新的途径。
关键词
基金项目
作者简介
杨元喜（1956—），男，博士，研究员，中国科学院院士，研究方向为大地测量与卫星导航。E-mail：yuanxi_yang@163.com
本文引用格式
杨元喜, 任夏, 张强, 侯明强, 肖定邦, 朱凌晓.
YANG Yuanxi, REN Xia, ZHANG Qiang, HOU Mingqiang, XIAO Dingbang, ZHU Lingxiao.
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http://xb.chinasmp.com/article/2026/1001-1595/1001-1595-2026-01-0001.shtml
定位导航定时（positioning，navigation and timing，PNT）体系是人类活动、经济建设、重大基础设施安全运行的基础，也是国防建设的基础。世界主要大国在国家层面高度重视PNT体系发展，美国2010年提出国家PNT体系概念[1-3]，2021年发布弹性PNT技术分析文件[1-4]；近几年，美西方国家又把量子惯性导航、量子磁力导航和量子重力导航、量子时钟作为国防PNT应用新的发展方向并加大研发投入[5]。
我国学者2016年提出综合PNT建设框架[6]，2018年提出弹性PNT技术途径[7]，2021年提出智能PNT设想[8]。综合PNT作为PNT信源基础设施工程，侧重为全球用户尤其是授权用户提供稳健、多物理原理的PNT信息源；弹性PNT侧重综合PNT信息源和自感知PNT信息源的弹性化集成与融合；智能PNT侧重传感器及其算法与导航环境的智能交互与自适应，实现与环境相匹配的智能PNT服务。
近年来，基于量子的时间、重力、磁力等物理信息感知技术快速发展，量子传感器的小型化、工程化程度提升显著，为以量子物理感知为基本原理的量子PNT技术发展提供了技术和硬件基础。将量子PNT作为自主感知PNT终端纳入综合PNT体系建设，不仅可为综合PNT提供新物理原理的PNT自感知和测量信息，更将从多维度提升PNT服务质量和可信度，支撑实现自主、隐蔽、抗扰的PNT服务。
1 量子PNT定义与内涵
量子PNT定义：量子PNT是基于量子态的精确操控，感知角速度、加速度、时间差、重力、磁力等物理量，从而计算载体位置、速度和时间信息的技术。
量子PNT技术包括量子惯性导航、量子计时、量子测距定位以及量子重力匹配导航和量子磁力匹配导航等，如图1所示。量子PNT的核心是量子惯性导航和量子计时，量子惯性导航又包含量子角速度感知和量子加速度感知。量子惯性导航和量子计时是通过内部角速度、加速度和时间差测量再结合外部绝对时空基准实现自主定位、导航和定时（即自主PNT）。
图1 量子PNT感知原理
Fig. 1 Perception principle of quantum PNT
我国在量子PNT研究方面刚刚起步，目前在物理场的自感知方面，如量子重力仪、量子梯度仪、量子磁力仪取得一些进展，量子时钟也获得初步成果，但并没有将量子PNT作为一个整体概念进行描述，市场上也没有任何量子PNT一体化服务装备。
2 量子PNT感知技术与现有PNT体系的关系
量子PNT是确保国家重要基础设施PNT稳健服务的重要手段，是国防PNT核心支撑手段。美国已经将量子PNT作为GPS拒止情况下重要替代手段。我国国家基础设施运行和国防建设一般依赖北斗卫星导航系统，一旦以北斗为核心的PNT服务受到干扰、欺骗等导致服务中断，都可能造成基础设施运行受阻、失灵，部队行动受挫。此外，为了确保包括深空、丛林、水下、室内等环境下国家基础设施的PNT连续可用，需要发展自感知且干扰免疫的量子PNT服务保障技术。
量子PNT的最大优势在于不依赖外部信号，可实现隐蔽式PNT感知和自主式PNT服务[9]，所以量子PNT技术以其高自主性、高可靠性、高安全性和高精确性等特质，已成为PNT最具应用潜能的发展方向之一，是争取未来PNT体系规则主导权、技术主导权和市场主导权的重要领域。
（1）量子PNT是国家北斗PNT的重要补充。以北斗为核心的星基PNT尽管具有全球、全天候、全天时的PNT服务能力，但是，星基PNT服务体系具有天然的脆弱性[9-10]。首先，星基PNT落地信号电平低，在复杂电磁环境和强电磁对抗条件下，抗干扰、防欺骗能力相对薄弱；其次，星基PNT不能惠及水下、室内、隧道等非暴露空间PNT用户[6,9-10]；此外，星基PNT在高楼密布的城市、树冠遮日的丛林、群峰耸立的山区等地形复杂地区，服务可用性、精确性和连续性也大打折扣[6,9-11]。量子PNT具有全域可用、连续抗扰的特点，是弥补星基PNT服务脆弱性的最有效手段。因此，在建立更安全、更可靠、更自主的综合PNT基础设施体系的基础上，还应该重视隐蔽自主安全的量子PNT感知终端体系建设，弥补现有北斗PNT的不足，提升用户PNT应用的安全性和可靠性。
（2）量子PNT是国家综合PNT服务体系的重要组成。国家基础设施PNT安全是国家经济安全的核心要素之一。国家电网并网发电、互联网、5G通信系统及国家金融系统等都需要高精度、高稳定度、高可控的时间协同；交通运输（高铁、航空、物流等）、低空经济需要高精度连续定位、导航和时间同步信息。综合PNT体系强调多物理原理的PNT信息源基础设施建设，而量子PNT则具备多物理元素的自主感知、连续感知以及无线电干扰免疫PNT感知，量子感知的信息也是综合PNT信息源的组成部分，于是，量子PNT是实现综合PNT服务的重要补充。没有多物理要素量子感知的综合PNT是不完整的PNT服务信息。
（3）量子PNT是弹性PNT的核心感知手段。弹性PNT强调以综合PNT信息源的弹性集成为基础，通过观测模型的弹性优化、随机模型的弹性调整、多物理原理的PNT信息弹性融合生成适应复杂环境的PNT服务信息[7,9,11]。量子PNT的多物理原理自主感知本身就是弹性PNT的核心感知手段之一，是PNT信息源弹性集成的重要信息源，也是弹性PNT服务的重要技术手段之一。
（4）量子PNT是智能PNT服务的重要支撑。智能PNT强调不同的环境使用不同的PNT服务，并强调PNT感知模型智能优化、多源PNT信息智能融合[10-11]。量子感知PNT几乎是任何环境下均适应的PNT服务手段，于是，量子PNT是智能PNT知识生成和智能服务的重要支撑，而智能PNT的智能环境交互、感知数据智能建模、多源数据智能融合，也将促进量子PNT服务性能的提升。
3 量子PNT发展现状
3.1 国外量子PNT发展现状
在量子惯性导航技术方面，2018年英国帝国理工学院与一家量子技术公司合作，以超冷原子为基础研制了英国第一款用于导航的量子加速度计，号称加速度计的精确度比传统加速度计提高1000倍（
在量子计时方面，2025年《物理评论快报》报道，美国国家标准与计量研究院（NIST）将带电的铝离子与一个镁离子配对，研制出了5.5×10－19不确定度的高精度高稳定度的原子钟[14]；2025年，英国绝密实验室研制成功量子计时钟，号称数十亿年不差一秒[15]。
在量子重力测量方面，法国巴黎天文台（LNE-SYRTE）利用铷原子测量自由落体的重力加速度，测量灵敏度达到
[16]；德国柏林洪堡大学采用铷原子喷泉研制了可移动的重力仪[17]，
3.2 国内量子PNT发展现状
我国在量子重力测量、量子重力梯度测量、量子磁力场感知、量子陀螺仪和量子时钟研制方面也取得显著进步。
量子陀螺仪和加速度计研究方面，北京自动化控制设备研究所、北京航天控制仪器研究所等单位已成功研制出核磁共振原子陀螺仪样机[37-38]。中科院精密测量科学与技术创新研究院在国际上首次研制了空间微重力条件下的芯片级冷原子干涉陀螺与加速度计，并在中国空间站试运行，转动测量不确定度优于3.0×10－5 rad/s，加速度测量分辨率优于1.1×10－6 m/s2[39-40]。清华大学研制了基于连续冷原子束的闭环原子干涉惯性传感器，可实现加速度和角速度的连续解耦测量，加速度、角速度测量长期稳定性分别为6.1 μg和840 nrad/s[41-42]。2021年，北京航空航天大学研制的SERF陀螺仪，最好指标达到0.008°/h[43]。
在量子时钟研究方面，光频量子时钟不确定度已进入10－18甚至10－19水平，可搬运光频量子时钟已基本实现连续运行，不确定度达10－18量级，未来有望突破10－20频率不确定度大关。2025年北京大学研发了即开即用的佛克脱小型光钟，万秒稳定度达到10－13水平[44]，并且突破了传统电子芯片在时钟带宽、能耗和噪声等方面的性能瓶颈，研发了可量产的超低损耗氮化硅光子芯片[45]。2024年1月，中国科学技术大学团队成功研制了万秒稳定度和不确定度均优于5×10－18锶原子光晶格钟，相当于72亿年的误差不超过1 s[46]。2025年中国科学院国家授时中心研发了光晶格原子钟系统，系统总不确定度达到了1.96×10－18，实现160亿年误差1 s的精度[47]。在工程应用方面，我国空间站上首次实现了锶原子光钟的空间搭载。这些光钟的成功研制，为下一步建立远距离光钟比对奠定了坚实基础，对未来新一代全球时间基准构建乃至引力波探测、暗物质搜索等提供潜在支持。
在量子测距定位授时领域，中国科学技术大学团队于2022年在113 km自由空间链路上，实现了10－19量级稳定性的时频传递（偏移量6.3×10－20±3.4×10－19）[48]；2024年该团队又在113 km自由空间路径上实现绝对精度达82 nm@21 s的距离测量[49]。这些成果突破了星地时频传递与长距离高精度测距的技术瓶颈，为全球光学时钟网络构建、星间/星地量子测距、深空导航定位、广义相对论检验及深空探测等应用提供了技术支撑。
综上，我国量子磁传感已形成小型化产品，还需开展磁力匹配导航试验；量子重力仪已进入商业化应用阶段，量子重力梯度仪已完成外场测试；核磁共振陀螺仪虽然攻克了一些关键技术，但是整体性能指标比国际先进水平低1个数量级左右，而且基础器部件方面仍存在较大差距；SERF陀螺仪在技术指标等方面与国际公开报道的水平相当，但在原子气室、光源等核心器件等方面与国外先进水平相比仍存在差距；光频量子时钟领域的研究水平已进入国际第一梯队；量子测距已取得突破性进展，但短期内无法进行PNT应用。
4 我国量子PNT体系发展面临的关键技术挑战
量子PNT是最具市场潜质的传感装备。由于量子PNT研究才刚刚起步，机理研究不透，原子源制备与操控、产品集成等技术成熟度不高，有的国产器部件量少、成本过高。需要加紧系列关键技术攻关，如图2所示。
图2 量子PNT关键技术
Fig. 2 Key technologies of quantum PNT
（1）量子PNT芯片技术。量子PNT传感器本身包含系列芯片技术，如光钟的高性能激光光源芯片、FPGA芯片、DDS芯片、高精度时间间隔测量芯片等，尤其需要突破多原理量子PNT芯片技术。
（2）量子PNT核心器部件技术。量子PNT核心器部件基本处于实验室状态，成本高、成熟度低。如激光二极管、超稳激光器、超细度光学腔镜、超低噪探测器、电子控制系统等自主可控程度低，亟须集智攻关。
（3）量子PNT传感器噪声抑制及标定技术。大部分量子传感器样机仍处于实验室阶段，环境温度、震动、噪声等因素导致精度不稳定，小型化程度低，难以满足星载、舰载、机载等严苛场景需求，实验室指标短期内很难转化为工程能力，如实验室光钟达到10－18量级，但环境抗扰性（温度/磁场波动）仍待验证，光钟之间的符合度也需要检验。此外，我国缺乏从实验室样机向规模化工业产品转化的统一检校手段和标准。
（4）全自主或半自主量子PNT终端及综合PNT和量子PNT弹性集成服务技术。需要建立以综合PNT信息源为基础、量子PNT应用为核心的国家PNT技术体系，形成北斗PNT、海洋声学PNT、量子PNT综合技术架构。需要攻克轻小型化、微型化、低功耗、长航时综合PNT信息源与量子PNT感知相结合的弹性PNT集成技术[7]；尤其需要突破基于量子时钟驾驭的芯片级量子PNT集成技术，实现高稳健、高连续PNT服务。同时，需要建立多源PNT集成技术规范和标准体系。
（5）模型驱动+数据驱动+自主感知的智能量子PNT传感技术。量子PNT感知的不定性是影响量子PNT应用的难题，在确定函数模型支持下的智能模型优化[8]和传感器智能误差补偿应该是提升量子PNT服务性能的关键技术之一。
（6）量子物理场匹配导航基础设施建设。量子重力、重力梯度、标量磁力、矢量磁力、扰动加速度感知技术，本身不能提供绝对PNT信息，需要与之相配套的高分辨率基础物理场（具有时间和位置标签的基础重力场和基础磁力场等）作为支撑，尤其是高分辨率高精度基础海洋重力场和海洋磁力场网格。
此外，智能量子PNT模型算法、星基量子定位系统等都需要进行关键技术攻关。
我国量子PNT技术虽然取得显著进步，但是仍然存在极大挑战，于是需要从国家综合PNT安全可信服务的高度强化量子PNT基础理论研究以及核心关键技术攻关和核心器部件研制，加强小型化、低功耗综合PNT与量子PNT集成终端型谱研发以及智能量子PNT算法研究。
5 结束语
量子PNT是国家综合PNT的重要组成部分与未来发展方向。量子PNT发展存在系列技术壁垒，需要集智攻关；量子PNT装备具有潜在应用市场，但是商业开发尚处于早期阶段，投资风险相对高，市场投资热情相对较低。
在量子PNT供给侧，需要加速布局微观粒子操控与计量、量子传感器集成技术攻关，攻克量子控制噪声抑制等关键技术；在量子PNT服务侧，必须在量子PNT工程化终端研制、小型化、低功耗量子惯导与量子时钟集成终端研制方面集智攻关，解决量子PNT组件的自主性、稳定性、低成本、量产化等工程难题，形成综合PNT和量子PNT技术资源池；加快完全自主可控的量子PNT传感产业发展，并将高精度、高稳定、高可靠、高自主的量子PNT终端作为北斗PNT拒止情况下的替代服务手段；需要研发北斗PNT、综合PNT信源与量子PNT感知相结合的PNT集成服务装备，构建综合PNT和量子PNT集成应用终端型谱，并制定相关应用标准与规范，为低空无人平台、国防移动装备以及非暴露空间PNT服务（尤其广袤海洋水下PNT服务）提供可靠的产品支撑；此外，必须加强量子PNT技术人才培养和技术储备，健全量子PNT人才培养、技术攻关和产业发展生态环境，打通“教育—研发—转化—生产—应用”链条，为国家安全PNT服务与应用打牢基础。
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