【技術】楊元喜院士：量子PNT發展及其關鍵技術

本文內容來源于《測繪學報》2026年第1期（審圖號 GS京(2026)0160 號）

量子PNT發展及其關鍵技術

楊元喜1,2, 任夏1,2, 張強3,4, 侯明強5, 肖定邦6, 朱凌曉6

1.智能空間信息國家級重點實驗室，北京 100081

2.西安測繪研究所，陜西　西安 710054

3.中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心，安徽　合肥　230026

4.合肥國家實驗室，安徽　合肥　230088

5.中國科學院精密測量科學與技術創新研究院精密大地測量與定位全國重點實驗室，湖北　武漢　430077

6.國防科技大學智能科學學院，湖南　長沙　410073

摘要

量子定位、導航、定時（量子PNT）技術是量子物理、量子傳感與自感知導航和量子計時相結合的交叉技術，量子PNT傳感器是隱蔽、連續、穩健式自主PNT終端發展的重要方向。本文定義了量子PNT的概念和內涵，論述了量子PNT與現有PNT體系的關系，包括北斗PNT、綜合PNT、彈性PNT和智能PNT等，討論了量子PNT發展的重要性與意義，梳理了量子PNT發展現狀和存在的問題，重點分析了量子PNT研究內容、關鍵技術及面臨的挑戰，分別描述量子PNT供給側和應用側主要發展方向，供給側應側重量子PNT集成原理及量子噪聲操控與抑制等技術；應用側應聚焦量子傳感器與綜合PNT終端的集成，側重發展芯片化量子PNT傳感器、多原理PNT微型化集成終端研制與應用，核心目標是為安全PNT、可信PNT、自主PNT服務提供新的途徑。

關鍵詞

量子定位 ; 量子慣性導航 ; 量子重力測量 ; 量子磁力測量 ; 量子時鐘

基金項目

國家自然科學基金基礎科學中心項目( 42388102 ); 國家重點研發計劃 ( 2024YFB3909701 )

作者簡介

楊元喜（1956—），男，博士，研究員，中國科學院院士，研究方向為大地測量與衛星導航。E-mail：yuanxi_yang@163.com

本文引用格式

楊元喜, 任夏, 張強, 侯明強, 肖定邦, 朱凌曉. 量子PNT發展及其關鍵技術 [J]. 測繪學報, 2026, 55(1): 1-9 doi:10.11947/j.AGCS.2026.20251218.

YANG Yuanxi, REN Xia, ZHANG Qiang, HOU Mingqiang, XIAO Dingbang, ZHU Lingxiao. The development and key technologies of quantum PNT [J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica , 2026, 55(1): 1-9 doi:10.11947/j.AGCS.2026.20251218.

閱讀全文

http://xb.chinasmp.com/article/2026/1001-1595/1001-1595-2026-01-0001.shtml

定位導航定時（positioning，navigation and timing，PNT）體系是人類活動、經濟建設、重大基礎設施安全運行的基礎，也是國防建設的基礎。世界主要大國在國家層面高度重視PNT體系發展，美國2010年提出國家PNT體系概念[1-3]，2021年發布彈性PNT技術分析文件[1-4]；近幾年，美西方國家又把量子慣性導航、量子磁力導航和量子重力導航、量子時鐘作為國防PNT應用新的發展方向并加大研發投入[5]。

我國學者2016年提出綜合PNT建設框架[6]，2018年提出彈性PNT技術途徑[7]，2021年提出智能PNT設想[8]。綜合PNT作為PNT信源基礎設施工程，側重為全球用戶尤其是授權用戶提供穩健、多物理原理的PNT信息源；彈性PNT側重綜合PNT信息源和自感知PNT信息源的彈性化集成與融合；智能PNT側重傳感器及其算法與導航環境的智能交互與自適應，實現與環境相匹配的智能PNT服務。

近年來，基于量子的時間、重力、磁力等物理信息感知技術快速發展，量子傳感器的小型化、工程化程度提升顯著，為以量子物理感知為基本原理的量子PNT技術發展提供了技術和硬件基礎。將量子PNT作為自主感知PNT終端納入綜合PNT體系建設，不僅可為綜合PNT提供新物理原理的PNT自感知和測量信息，更將從多維度提升PNT服務質量和可信度，支撐實現自主、隱蔽、抗擾的PNT服務。

1　量子PNT定義與內涵

量子PNT定義：量子PNT是基于量子態的精確操控，感知角速度、加速度、時間差、重力、磁力等物理量，從而計算載體位置、速度和時間信息的技術。

量子PNT技術包括量子慣性導航、量子計時、量子測距定位以及量子重力匹配導航和量子磁力匹配導航等，如圖1所示。量子PNT的核心是量子慣性導航和量子計時，量子慣性導航又包含量子角速度感知和量子加速度感知。量子慣性導航和量子計時是通過內部角速度、加速度和時間差測量再結合外部絕對時空基準實現自主定位、導航和定時（即自主PNT）。

圖1量子PNT感知原理

Fig. 1Perception principle of quantum PNT

我國在量子PNT研究方面剛剛起步，目前在物理場的自感知方面，如量子重力儀、量子梯度儀、量子磁力儀取得一些進展，量子時鐘也獲得初步成果，但并沒有將量子PNT作為一個整體概念進行描述，市場上也沒有任何量子PNT一體化服務裝備。

2　量子PNT感知技術與現有PNT體系的關系

量子PNT是確保國家重要基礎設施PNT穩健服務的重要手段，是國防PNT核心支撐手段。美國已經將量子PNT作為GPS拒止情況下重要替代手段。我國國家基礎設施運行和國防建設一般依賴北斗衛星導航系統，一旦以北斗為核心的PNT服務受到干擾、欺騙等導致服務中斷，都可能造成基礎設施運行受阻、失靈，部隊行動受挫。此外，為了確保包括深空、叢林、水下、室內等環境下國家基礎設施的PNT連續可用，需要發展自感知且干擾免疫的量子PNT服務保障技術。

量子PNT的最大優勢在于不依賴外部信號，可實現隱蔽式PNT感知和自主式PNT服務[9]，所以量子PNT技術以其高自主性、高可靠性、高安全性和高精確性等特質，已成為PNT最具應用潛能的發展方向之一，是爭取未來PNT體系規則主導權、技術主導權和市場主導權的重要領域。

（1）量子PNT是國家北斗PNT的重要補充。以北斗為核心的星基PNT盡管具有全球、全天候、全天時的PNT服務能力，但是，星基PNT服務體系具有天然的脆弱性[9-10]。首先，星基PNT落地信號電平低，在復雜電磁環境和強電磁對抗條件下，抗干擾、防欺騙能力相對薄弱；其次，星基PNT不能惠及水下、室內、隧道等非暴露空間PNT用戶[6,9-10]；此外，星基PNT在高樓密布的城市、樹冠遮日的叢林、群峰聳立的山區等地形復雜地區，服務可用性、精確性和連續性也大打折扣[6,9-11]。量子PNT具有全域可用、連續抗擾的特點，是彌補星基PNT服務脆弱性的最有效手段。因此，在建立更安全、更可靠、更自主的綜合PNT基礎設施體系的基礎上，還應該重視隱蔽自主安全的量子PNT感知終端體系建設，彌補現有北斗PNT的不足，提升用戶PNT應用的安全性和可靠性。

（2）量子PNT是國家綜合PNT服務體系的重要組成。國家基礎設施PNT安全是國家經濟安全的核心要素之一。國家電網并網發電、互聯網、5G通信系統及國家金融系統等都需要高精度、高穩定度、高可控的時間協同；交通運輸（高鐵、航空、物流等）、低空經濟需要高精度連續定位、導航和時間同步信息。綜合PNT體系強調多物理原理的PNT信息源基礎設施建設，而量子PNT則具備多物理元素的自主感知、連續感知以及無線電干擾免疫PNT感知，量子感知的信息也是綜合PNT信息源的組成部分，于是，量子PNT是實現綜合PNT服務的重要補充。沒有多物理要素量子感知的綜合PNT是不完整的PNT服務信息。

（3）量子PNT是彈性PNT的核心感知手段。彈性PNT強調以綜合PNT信息源的彈性集成為基礎，通過觀測模型的彈性優化、隨機模型的彈性調整、多物理原理的PNT信息彈性融合生成適應復雜環境的PNT服務信息[7,9,11]。量子PNT的多物理原理自主感知本身就是彈性PNT的核心感知手段之一，是PNT信息源彈性集成的重要信息源，也是彈性PNT服務的重要技術手段之一。

（4）量子PNT是智能PNT服務的重要支撐。智能PNT強調不同的環境使用不同的PNT服務，并強調PNT感知模型智能優化、多源PNT信息智能融合[10-11]。量子感知PNT幾乎是任何環境下均適應的PNT服務手段，于是，量子PNT是智能PNT知識生成和智能服務的重要支撐，而智能PNT的智能環境交互、感知數據智能建模、多源數據智能融合，也將促進量子PNT服務性能的提升。

3　量子PNT發展現狀 3.1　國外量子PNT發展現狀

在量子慣性導航技術方面，2018年英國帝國理工學院與一家量子技術公司合作，以超冷原子為基礎研制了英國第一款用于導航的量子加速度計，號稱加速度計的精確度比傳統加速度計提高1000倍（ https://www.electrooptics.com/news/researchers-demonstrate-uks-first-quantum-accelerometer-navigation ）；2024年，研制的量子慣性測量單元（量子IMU）理論上可實現24 h導航偏差小于1 m，并在飛機上進行了試飛[12]。美國國防先進研究計劃局（Draper）于2003年提出了“精密級慣性導航系統（PINS）”計劃支持冷原子慣性傳感器開發，2005年提出導航級微陀螺（NGIMG）概念，并在其微PNT項目中分階段支持了核磁共振陀螺研究[13]。

在量子計時方面，2025年《物理評論快報》報道，美國國家標準與計量研究院（NIST）將帶電的鋁離子與一個鎂離子配對，研制出了5.5×10－19不確定度的高精度高穩定度的原子鐘[14]；2025年，英國絕密實驗室研制成功量子計時鐘，號稱數十億年不差一秒[15]。

在量子重力測量方面，法國巴黎天文臺（LNE-SYRTE）利用銣原子測量自由落體的重力加速度，測量靈敏度達到
[16]；德國柏林洪堡大學采用銣原子噴泉研制了可移動的重力儀[17]，

3.2　國內量子PNT發展現狀

我國在量子重力測量、量子重力梯度測量、量子磁力場感知、量子陀螺儀和量子時鐘研制方面也取得顯著進步。

量子陀螺儀和加速度計研究方面，北京自動化控制設備研究所、北京航天控制儀器研究所等單位已成功研制出核磁共振原子陀螺儀樣機[37-38]。中科院精密測量科學與技術創新研究院在國際上首次研制了空間微重力條件下的芯片級冷原子干涉陀螺與加速度計，并在中國空間站試運行，轉動測量不確定度優于3.0×10－5 rad/s，加速度測量分辨率優于1.1×10－6 m/s2[39-40]。清華大學研制了基于連續冷原子束的閉環原子干涉慣性傳感器，可實現加速度和角速度的連續解耦測量，加速度、角速度測量長期穩定性分別為6.1 μg和840 nrad/s[41-42]。2021年，北京航空航天大學研制的SERF陀螺儀，最好指標達到0.008°/h[43]。

在量子時鐘研究方面，光頻量子時鐘不確定度已進入10－18甚至10－19水平，可搬運光頻量子時鐘已基本實現連續運行，不確定度達10－18量級，未來有望突破10－20頻率不確定度大關。2025年北京大學研發了即開即用的佛克脫小型光鐘，萬秒穩定度達到10－13水平[44]，并且突破了傳統電子芯片在時鐘帶寬、能耗和噪聲等方面的性能瓶頸，研發了可量產的超低損耗氮化硅光子芯片[45]。2024年1月，中國科學技術大學團隊成功研制了萬秒穩定度和不確定度均優于5×10－18鍶原子光晶格鐘，相當于72億年的誤差不超過1 s[46]。2025年中國科學院國家授時中心研發了光晶格原子鐘系統，系統總不確定度達到了1.96×10－18，實現160億年誤差1 s的精度[47]。在工程應用方面，我國空間站上首次實現了鍶原子光鐘的空間搭載。這些光鐘的成功研制，為下一步建立遠距離光鐘比對奠定了堅實基礎，對未來新一代全球時間基準構建乃至引力波探測、暗物質搜索等提供潛在支持。

在量子測距定位授時領域，中國科學技術大學團隊于2022年在113 km自由空間鏈路上，實現了10－19量級穩定性的時頻傳遞（偏移量6.3×10－20±3.4×10－19）[48]；2024年該團隊又在113 km自由空間路徑上實現絕對精度達82 nm@21 s的距離測量[49]。這些成果突破了星地時頻傳遞與長距離高精度測距的技術瓶頸，為全球光學時鐘網絡構建、星間/星地量子測距、深空導航定位、廣義相對論檢驗及深空探測等應用提供了技術支撐。

綜上，我國量子磁傳感已形成小型化產品，還需開展磁力匹配導航試驗；量子重力儀已進入商業化應用階段，量子重力梯度儀已完成外場測試；核磁共振陀螺儀雖然攻克了一些關鍵技術，但是整體性能指標比國際先進水平低1個數量級左右，而且基礎器部件方面仍存在較大差距；SERF陀螺儀在技術指標等方面與國際公開報道的水平相當，但在原子氣室、光源等核心器件等方面與國外先進水平相比仍存在差距；光頻量子時鐘領域的研究水平已進入國際第一梯隊；量子測距已取得突破性進展，但短期內無法進行PNT應用。

4　我國量子PNT體系發展面臨的關鍵技術挑戰

量子PNT是最具市場潛質的傳感裝備。由于量子PNT研究才剛剛起步，機理研究不透，原子源制備與操控、產品集成等技術成熟度不高，有的國產器部件量少、成本過高。需要加緊系列關鍵技術攻關，如圖2所示。

圖2量子PNT關鍵技術

Fig. 2Key technologies of quantum PNT

（1）量子PNT芯片技術。量子PNT傳感器本身包含系列芯片技術，如光鐘的高性能激光光源芯片、FPGA芯片、DDS芯片、高精度時間間隔測量芯片等，尤其需要突破多原理量子PNT芯片技術。

（2）量子PNT核心器部件技術。量子PNT核心器部件基本處于實驗室狀態，成本高、成熟度低。如激光二極管、超穩激光器、超細度光學腔鏡、超低噪探測器、電子控制系統等自主可控程度低，亟須集智攻關。

（3）量子PNT傳感器噪聲抑制及標定技術。大部分量子傳感器樣機仍處于實驗室階段，環境溫度、震動、噪聲等因素導致精度不穩定，小型化程度低，難以滿足星載、艦載、機載等嚴苛場景需求，實驗室指標短期內很難轉化為工程能力，如實驗室光鐘達到10－18量級，但環境抗擾性（溫度/磁場波動）仍待驗證，光鐘之間的符合度也需要檢驗。此外，我國缺乏從實驗室樣機向規模化工業產品轉化的統一檢校手段和標準。

（4）全自主或半自主量子PNT終端及綜合PNT和量子PNT彈性集成服務技術。需要建立以綜合PNT信息源為基礎、量子PNT應用為核心的國家PNT技術體系，形成北斗PNT、海洋聲學PNT、量子PNT綜合技術架構。需要攻克輕小型化、微型化、低功耗、長航時綜合PNT信息源與量子PNT感知相結合的彈性PNT集成技術[7]；尤其需要突破基于量子時鐘駕馭的芯片級量子PNT集成技術，實現高穩健、高連續PNT服務。同時，需要建立多源PNT集成技術規范和標準體系。

（5）模型驅動+數據驅動+自主感知的智能量子PNT傳感技術。量子PNT感知的不定性是影響量子PNT應用的難題，在確定函數模型支持下的智能模型優化[8]和傳感器智能誤差補償應該是提升量子PNT服務性能的關鍵技術之一。

（6）量子物理場匹配導航基礎設施建設。量子重力、重力梯度、標量磁力、矢量磁力、擾動加速度感知技術，本身不能提供絕對PNT信息，需要與之相配套的高分辨率基礎物理場（具有時間和位置標簽的基礎重力場和基礎磁力場等）作為支撐，尤其是高分辨率高精度基礎海洋重力場和海洋磁力場網格。

此外，智能量子PNT模型算法、星基量子定位系統等都需要進行關鍵技術攻關。

我國量子PNT技術雖然取得顯著進步，但是仍然存在極大挑戰，于是需要從國家綜合PNT安全可信服務的高度強化量子PNT基礎理論研究以及核心關鍵技術攻關和核心器部件研制，加強小型化、低功耗綜合PNT與量子PNT集成終端型譜研發以及智能量子PNT算法研究。

5　結束語

量子PNT是國家綜合PNT的重要組成部分與未來發展方向。量子PNT發展存在系列技術壁壘，需要集智攻關；量子PNT裝備具有潛在應用市場，但是商業開發尚處于早期階段，投資風險相對高，市場投資熱情相對較低。

在量子PNT供給側，需要加速布局微觀粒子操控與計量、量子傳感器集成技術攻關，攻克量子控制噪聲抑制等關鍵技術；在量子PNT服務側，必須在量子PNT工程化終端研制、小型化、低功耗量子慣導與量子時鐘集成終端研制方面集智攻關，解決量子PNT組件的自主性、穩定性、低成本、量產化等工程難題，形成綜合PNT和量子PNT技術資源池；加快完全自主可控的量子PNT傳感產業發展，并將高精度、高穩定、高可靠、高自主的量子PNT終端作為北斗PNT拒止情況下的替代服務手段；需要研發北斗PNT、綜合PNT信源與量子PNT感知相結合的PNT集成服務裝備，構建綜合PNT和量子PNT集成應用終端型譜，并制定相關應用標準與規范，為低空無人平臺、國防移動裝備以及非暴露空間PNT服務（尤其廣袤海洋水下PNT服務）提供可靠的產品支撐；此外，必須加強量子PNT技術人才培養和技術儲備，健全量子PNT人才培養、技術攻關和產業發展生態環境，打通“教育—研發—轉化—生產—應用”鏈條，為國家安全PNT服務與應用打牢基礎。

來源：智繪科服