使用量子传感器技术的惯性导航是一个新的研发领域，可以彻底改变导航系统。与当前基准相比，这项新技术将惯性测量精度提高了几个数量级。这可以实现绝对可靠的惯性导航系统（INS），该系统可以完全独立运行，并在数年（而不是使用当前技术的数月）的过程中保持精度。
目前，GNSS（卫星导航）满足确定位置和航向的地面要求，但技术、基础设施、产品和服务对 GNSS 的日益依赖也使其成为一个弱点。这意味着，如果它因干扰和欺骗而受到损害（这种情况比人们想象的要常见得多）、经历设备故障或受到太阳辐射等宇宙现象的影响，那么持续的影响、破坏和成本将是巨大的。
任何时候，当车辆或系统依赖 GNSS 进行导航且 GNSS 不可用时，通常都会使用 INS 来执行航位推算。这将根据速度、航向和方向的估计来绘制车辆路线。 INS 将使用“经典”（非基于量子的）传感器来确定加速度。由于经典传感器固有的偏差和漂移误差，使用经典传感器的 INS 可以被视为临时导航手段 - 这些误差会影响估计/计算位置的准确性，并且通常会随着时间的推移以及检测到的每次加速度变化而建立。考虑到这一点，根据车辆类型和应用，最高等级的经典 INS 可能能够保持几个月的精度；而低级 INS 可能只能依赖几秒钟。 INS 的位置误差随着时间和距离不断累积，直到可以通过 GNSS 或其他来源提供绝对位置参考。在此刻，INS能够根据更新的绝对位置数据清除累积误差并重置位置。如果没有这种重置/重新校准，任何“经典”INS 最终都会失去位置精度。
由于不可用，海底、地下和外层空间导航应用已经无法使用 GNSS 作为参考。在这种情况下，更高精度的航位推算将带来立竿见影的好处。为了在没有 GNSS 的情况下实现长时间且准确的航位推算，量子传感器可能是一种解决方案。
将量子传感器技术应用于动态环境以实现导航的想法是一个新的研究领域，它提出了一些具体的挑战。通常，现有的量子传感研究基于固定重力测量。这可用于许多应用，例如识别地下水及其运动、矿藏、监测洋流和检测火山活动。
20 年代，法国物理学家路易斯·德布罗意假设粒子（质子、电子、中子的组合）同时具有粒子特性和波形特性。这种波粒二象性是量子力学理论不可或缺的一部分。这种二元性也适用于原子，原子是构成物理元素的粒子的特定组合。由于原子缺乏物理尺寸及其带电性质，它们对几乎任何环境变化都很敏感。为了响应环境的变化，原子波形将会改变。正是这种微小的波形，如果可以测量它的变化，就可以提供以前科幻小说中的内容的准确性。
量子理论得到了许多物理学家的进一步发展，例如埃尔温·薛定谔，发展有助于进一步定义量子力学和有助于解释其功能的数学的假设。量子系统的基础是利用原子对其环境的极端敏感性。不仅如此，由于原子是元素的基本组成部分，因此它们不会受到疲劳、磨损或时间的影响，并且如果它们位于地球或太空中的某个地方，则具有相同的惯性特征。使用原子作为测量基础的“纯粹性”在于几乎零漂移。一个例子是使用原子钟来维持关键系统（例如 GNSS）中的精确同步。至关重要的是，原子的波形在施加外力之前保持稳定。例如，加速度、旋转、重力或电磁场的任何变化都会被原子“感觉到”，这微妙地影响了原子波形。可以通过以下方式检测波形的变化并推断出实际值干涉测量法。
干涉测量基本上是分离波形、将其发送到两个不同路径，然后重新组合它们并测量原始波形和组合波形之间的差异的过程。当来自不同方向的海浪相互“干扰”时，可以观察到波形干扰的一个简单例子。如果波峰相结合，这可能会导致更大的波，或者如果一个波的波峰与另一个波的波谷相遇，可能会导致减小的波。
在示例图像中，( A )中的波形（橙色和绿色）同相。组合后，产生的波形（蓝色）更大——这是相长干涉。
( B ) 中的波形异相 180°（彼此相反）。组合后，产生的波形是平坦的（零幅度）——这是破坏性干扰。
在 ( C ) 中，波形有少量异相。组合后，所得波形的幅度比原始波形稍大 – 这是相长干涉
作为使用光作为波形的干涉测量的示例，将光引导至半涂有反射材料的镜子。这种半反射镜允许一半的光通过，一半的光被反射，从而将光分开。副镜将改变光线方向，使其重新组合。
如果其中一个镜子的位置或角度由于某种外力（例如重力）而发生微小变化，则偏转光的波形将相对于参考光波形发生偏移（相移）。当光波形重新组合时，波形条纹（边缘）将出现可测量的差异，其中黑暗的部分现在变得明亮，反之亦然。由于光的波长非常短，这是一种极其精确的测量方法。
在基本激光干涉仪中，激光 ( A ) 射向半反射镜 ( B ) – 光线分裂至反射镜 ( C ) 和 ( D ) 以及光检测器 ( E )。
从镜子( C )和( D )反射的光被( B )反射到( E )。然后可以叠加波形条纹 ( F ) 以计算波形之间任何差异的程度
根据物质的不同，原子的波长大约比可见光小3 x 10 4倍。使用原子波形干涉测量的概念代表了令人难以置信的精确度。
与使用镜子分裂光的波形类似，原子的波形在某种意义上也可以在量子水平上“分裂”。这是因为量子物理定律允许原子同时存在于所有可能的状态。原子同时处于多种状态的能力（听起来很奇怪）会产生可用于干涉测量的波形差异。
干涉仪实验通常需要数百万个原子（称为“原子云”）。原子数量越多，测量的潜在精度就越高。在原子云分裂之前，使用激光对其进行冷却。激光冷却可能听起来很矛盾，但它确实有效，因为来自激光的光子被原子吸收并重新发射，这导致它们在每次发射时损失少量动能。经过数千次光子吸收和发射后，原子冷却至略高于“绝对零”（0°开尔文或-273.15°C）。这种超冷的温度导致原子几乎没有能量，几乎是静止的，而不是以每秒数百米的速度移动。在这种状态下，可以观察原子并进行测量。
原子冷却后，冷却激光器被停用，原子开始自由落体。在自由落体过程中，原子通过三个激光脉冲。来自第一个脉冲的光子将动量转移到云中，并将原子置于两个同时的、空间上分离的动量状态的量子“叠加”中。也就是说，原子具有被光子激发的状态和未被激发的状态，其中激发态具有与非激发态不同的动量。这有效地将每个原子波形一分为二，将一个波形相对于另一个波形移动，以提供干涉测量所需的单独路径。一段时间后，第二个激光脉冲指向原子云，以反转它们之间的动量差，并使原子波形状态开始收敛，有效地重组和干扰波形。一段时间后，使用第三个脉冲来结束干涉测量序列。原子受到最终光脉冲的影响，探测其内部状态并提供测量结果。任何通过惯性、重力、电磁、辐射等改变原子势能、内能或动能的效应都会在波形中以相位差的形式可见，因为它们成为原子量子力学状态所固有的。干扰信号表现为最终动量状态之间的总体差异。或原子通过惯性、重力、电磁、辐射等产生的动能在波形中以相位差的形式变得可见，因为它们成为原子量子力学状态所固有的。干扰信号表现为最终动量状态之间的总体差异。或原子通过惯性、重力、电磁、辐射等产生的动能在波形中以相位差的形式变得可见，因为它们成为原子量子力学状态所固有的。干扰信号表现为最终动量状态之间的总体差异。
在示例图像中，X 轴表示空间距离，Y 轴表示时间。红色波代表激光脉冲。
第一个（下部）脉冲将光子能量传递给原子并引起动量变化。原子的动量对偶性由绿色和橙色线表示。
第二个（中间）脉冲反转动量，导致原子合并。
第三个（上方）脉冲结束序列，然后进行波形比较和测量
作为原子干涉仪的类比，可以将原子视为棒球，将激光视为棒球棒。冷却的原子被落入干涉仪中，蝙蝠向上撞击它们，从而将光子能量传递给原子。由于量子叠加，原子同时被蝙蝠击中和错过，因此既会下落（错过）又会上升/静止（击中）。命中和错过的原子状态提供了干涉仪的两个“臂”或“路径”。下一个激光以相反的方向击打原子，第三个激光则稳定了原子。
量子传感器技术的一个根本挑战是利用量子系统可以检测到的加速度的范围和带宽。这是因为它们具有巨大的敏感性。
让我们首先定义范围、带宽和精度。
• 带宽，也可以称为采样率，是传感器可以提供符合规格的测量的频率。
• 范围是传感器可以测量的指定最小值和最大值。
• 精度是传感器可以检测到的最小加速度变化。可以说，经典传感器和量子传感器位于灵敏度带宽/范围谱的两端。
为了比较经典传感器和量子传感器，以下数据显示了属性之间的差异：
| 对比项 | 经典 | 量子 |
| 带宽 | 300 to 500 Hz | 0.5 to 2 Hz |
| 范围 | ±15 g | ±1.2 g |
| 准确性 | 500 µg (micro-g | 10-8) | 10 pg (pico-g | 10-12) |
可以看出，经典传感器提供数据的频率是量子传感器的数百倍，这取决于运动变化发生的速度，使它们能够捕获整个运动。因此，由于低带宽和“丢失”加速度变化而导致测量之间发生的错误的可能性较小。
当然，由于量子带宽如此之低，很容易错过加速度的快速变化。因此，超出量子传感器范围的加速度可能会不明确，并且此类数据必须被认为是错误的。
解决量子传感器范围和带宽限制的一种方法是将其输出与经典惯性传感器（MEMS 、FOG 或RLG ）融合。经典惯性传感器可以提供带宽和范围，而量子传感器则提供极高的精度，没有误差或噪声。对于量子传感器，传感发生的带宽通常为 1 Hz（每秒一次）。请注意，冷原子干涉测量的灵敏度随着原子在干涉仪内的持续时间越长而增加（持续时间越长，带宽越低）。对于快速移动的车辆，低带宽意味着加速度跟踪中存在许多差距，并且可能因超出量子范围而产生无法使用的数据。
冷原子干涉仪的输出提供了一个波形，其中曲线上的每个点对应于唯一的加速度。这样做的一个问题是波形是恒定的，并且波形的峰值可能会变化而无法确定实际测量结果。例如，一个峰可以代表1m/s 2 ，而另一相同的峰可以代表2m/s 2。
这是使用经典传感器的地方，因为它具有高更新率 和高动态范围。高级导航已开发出以下技术：
• 使用经典传感器数据确定量子传感器输出波形上的实际点，以有效创建量子基线值。
• 使用量子基线作为两种传感器类型数据融合的一部分。
准确可靠地融合量子和经典传感器数据需要高度复杂的基于人工智能神经网络的系统。这应用算法来汇聚来自两个传感器系统的数据，以消除噪声和错误，并以有意义的方式组合数据。
拥有高带宽传感器可以比量子传感器的带宽更频繁地检测变化。而且，即使经典传感器存在误差，通过以算法方式融合两者，我们可以获得量子传感器的极低误差。此外，具有学习能力的系统将使用以前的数据来不断完善当前的测量结果，并使系统随着时间的推移提高准确度和精确度，而不是降低。
将 FOG 经典传感器的带宽和范围与量子传感器硬件的精度相融合，
通过有效消除经典传感器的漂移并增加量子传感器的范围，极大地扩展了两种传感器的功能
将原子与环境隔离以用于传感目的并将其部署到动态车辆中一直是量子传感的主要挑战。如果在干涉测量过程中没有超级受控的环境来捕获、发射和控制原子，就不可能在测量方面获得任何有意义或连贯的东西。此外，使用定制的、极其专业且昂贵的实验室设备来为量子干涉测量提供必要的隔离环境，这并不是在现实场景中使用的可行解决方案。为了应对量子解决方案的硬件挑战，Advanced Navigation 开发了自己的适合量子传感器技术的硬件。该硬件的外形尺寸在现实世界中很实用，可以消除磁场干扰，并隔离振动，使用被动（机械）和主动（计算机控制）系统进行冲击和旋转。
目前，性能最高的经典惯性导航系统可能能够在漂移和误差累积变得不可接受之前提供几周可接受水平的航位推算。应用量子传感器卓越的稳定性作为提供超出经典传感器正常限制的精确测量的手段意味着漂移可以忽略不计，并且很少需要重新校准。因此，在错误累积到成为问题的程度之前，航位推算可能会延长数年。这对于长距离和长时间的自主太空任务尤其有价值。
泽维尔·奥尔“高级导航经典量子解决方案消除了传感器范围和带宽的限制，并大幅提高了准确性。作为未来惯性导航的基础技术，经典量子传感为我们提供了一个绝佳的机会来融合量子世界和物理世界并提供革命性的惯性导航系统。”
量子传感器技术可能仍处于起步阶段，但先进导航公司进行的研究和开发表明它可以投入实际应用。将Advanced Navigation Boreas 数字光纤陀螺仪 ( DFOG ) 作为经典传感器与量子传感器硬件相结合，首个此类惯性导航系统正准备用于NASA 月球到火星任务任务。随着技术的完善和更广泛的应用，SWaP-C（尺寸、重量、功耗和成本）将相应缩小。前面提到的符合太空要求的系统大约是标准冰箱的大小，这比许多实验室原型要小得多，并且随着时间的推移，预计将缩小到当前尺寸的四分之一以下。
对于移动车辆的惯性传感，来自适当传感器的正确且仔细融合的量子经典输出可能成为地球上和地球外高级导航的未来。使用经典量子系统将提供极其精确的惯性测量，几乎没有漂移、高动态范围和高带宽。这项技术的潜力将能够实现持续的精确导航，而无需使用卫星、磁场、基站或恒星等外部参考进行重新校准或校正。这代表了惯性导航系统的巨大变革，对于对 GNSS 欺骗/干扰敏感的应用以及依赖长期惯性导航或完全脱离基于 GNSS 的导航的应用来说，这将是革命性的。
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