一款不需要靠 GPS 的即時導航: AQNav | EntangleTech 量子教育平台

# 一款不需要靠 GPS 的即時導航: AQNav ## 摘要 [AQNav](https://www.sandboxaq.com/solutions/aqnav) 是全球首個結合 AI 與量子磁力計的即時導航系統，該系統能精確測量地球磁場的微小變化，透過與資料庫比對判斷目前身在地球上何處。與 GPS 不同，AQNav 不受衛星信號覆蓋的限制，可以在任何環境下工作，無論在室內，還是地下或是空中，AQNav 都能提供穩定可靠的導航服務。這項技術不僅提高了定位的精確度，還大大增強了導航系統的安全性。因為不依賴外部信號，AQNav 極難被 jamming(干擾)或 spoofing(欺騙)，這一特性在高度安全敏感的應用場景中顯得至關重要。 AQNav 由 [SandboxAQ](https://www.sandboxaq.com) 公司研發，該公司於 2022 年從 Google 獨立出來，專注於結合量子技術和人工智慧。SandboxAQ 的團隊包括來自Google、IBM 等科技領導企業的專家。SandboxAQ 致力於推動這些先進技術在開發醫療應用和改進網路安全等領域上。

Sandbox AQ 的公司 Logo
Picture come from QBN

## GPS潛在的安全問題 GPS 充斥在我們的生活中，每個人每天都會用好幾次，GPS 看似很穩定且不會出錯，然而實際上，GPS 容易受到外界干擾，尤其是在國際間敏感時期，像是在 2018~2021 年，GPS 的干擾次數增加了 2000%，每個月至少有 3 萬個飛行器遭受 GPS 攻擊。GPS 的干擾手段可以分成 jamming 與 spoofing： ### GPS jamming Jamming 義為「阻塞」，GPS jamming 指的是對 GPS 訊號進行干擾，阻止我們接收 GPS 發出來的訊號，在高度依賴 GPS 的現今社會，此舉有可能影響到軍事行動、飛航安全或拖慢救援行動等等。 ### GPS spoofing Spoofing 則為「欺騙」，指的是通過傳遞假的訊號來誤導目標朝錯誤的方向飛去。由於 GPS 的訊號相對微弱，施以同頻率但強度更強的訊號便能壓過原始訊號以達到操控效果。

通常會先用 jamming 干擾目標與 GPS 之間的聯繫（圖中的黑線閃電符號），接著用 spoofing（黃色閃電符號）對目標傳送錯誤的位置訊息，使目標朝錯的方向（紅色箭頭）前進
Picture come from doi:10.1109/MECO58584.2023.10154998

### 實際案例這裡我們提供一個網站幫助你實時得知那些地區可能頻繁發生 GPS 攻擊，並可作為你是否要飛往該地區的參考。 * [Live GPS Spoofing Tracker Map](https://spoofing.skai-data-services.com/)

這網站顯示各地區 jamming 的情況，也顯示了 spoofing 的狀況。圖中的藍色圓圈內的數字代表該區域遭受 spoofing 的航班數。而六邊形中，愈紅代表 jamming 的程度愈大。

基於以上理由，Sandbox AQ 決定開發可以不受外部干擾的導航系統，在 GPS 不能使用的情況下，協助我們知道自己身在何處。一個可以不借助外部訊號就能做定位的方法是依靠量子磁力計。 ## 什麼是量子磁力計? 量子磁力計利用粒子自旋（spin）的原理量測磁場大小，因其靈敏特性，適合量測細微磁場，像是地球磁場，因此適合用於物理學、地質學、導航、生物與醫學，與軍事方面。如下圖所示，磁力計可以分為現在我們生活常用的，稱作「經典」（classical）磁力計，與今天要介紹的「量子」（quantum）磁力計。經典磁力計利用電磁學與力學原理量測磁場，精度可以達到 1 nT，靈敏度（sensitivity）約 0.01 nT，這樣精度的磁力計已廣泛用於航太領域。

磁力計種類
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量子磁力計基本上可以分成三種，基於超導原理（Josephson effect）的 SQUID、基於質子自旋的 proton 與 overhauser，以及基於原子自旋的金屬蒸氣，或是鑽石空缺。不同類別的量子磁力計，其精確度與靈敏度都會有所不同。如下圖所示，基於超導的 SQUID，穿過超導環的磁通量會影響兩端的電壓大小，進而從電壓得知該區磁場大小。SQUID 反應快速，靈敏度高，但 SQUID 需要冷卻至極低溫，且對於震動和電磁雜訊非常敏感，即便如此，SQUID 目前已被安裝在飛機與直升機上試驗。

磁力計的精確度與靈敏度（單位：特斯拉）。橫軸是精確度（量測值減去實際值），縱軸是靈敏度（可以量測多小的變化），顏色代表反應時間（秒）
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基於質子自旋的 proton 與 overhauser 磁力計，透過量測質子自旋的進動頻率（Lamor frequency）量測磁場。這類磁力計通常需要較大的功率、較低的靈敏度，以及反應時間慢，只能序列測量而無法做到連續測量。即便如此，overhauser 磁力計被裝載在德國 [CHAMP](https://zh.wikipedia.org/zh-tw/CHAMP) 衛星上用於地球磁場研究，其精度可達 0.5 nT。

磁力計操作功率與靈敏度之間的關係。
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基於原子核自旋或是電子能階的金屬蒸氣，或鑽石空缺，靈敏度優異、反應時間快，且精確度高，這類磁力計不需像傳統磁力計要做校正。在這類磁力計中，以鑽石空缺和鉀原子蒸氣最具競爭力。 ## AQNav 的實際應用 AQNav 利用量子磁力計量測所在地區的地球磁場，並將這些資料與預先建立的地磁資料庫做比對。地球磁場跟指紋一樣，每個地點上的磁場特徵都獨一無二。 AQNav 透過遮些特徵判斷目前身在何處。目前，AQNav 已經在多種飛行器上進行多次試驗。在四種不同類型的飛機上進行超過 200 小時的飛行，完成 40 多次飛行任務，測試涵蓋不同的環境，諸如城市、郊區、沙漠和海洋。 ## 量子磁力計會取代GPS嗎？目前，量子磁力計仍處於發展階段，尚未大規模商業化，仍無法確定它是否能完全取代 GPS。量子磁力計的主要優勢在於其抗干擾能力和高靈敏度。它們利用地球磁場進行導航，這些磁場數據是被動的，不會發出電子信號，因此不易被 jamming 和 spoofing。相較之下，GPS信號容易受到干擾，特別是在軍事和高安全性應用中，這使得量子磁力計具有獨特的優勢。此外，量子磁力計的高靈敏度使其能夠檢測到微小的磁場變化，提供極高的導航精確度。然而，目前量子磁力計的技術還未完全成熟，尤其是在動態環境中的應用。縮小量子傳感器的尺寸並提高其能源效率是當前技術發展的一大挑戰。儘管研究人員正在努力克服這些困難，但要實現量子磁力計在各種應用中的普及仍需要時間。此外，量子磁力計的製造和部署成本較高，這限制了其在短期內的大規模商業化應用。與此同時，現有的GPS技術已經非常成熟和普及，要完全取代GPS 還需要克服許多實際應用中的挑戰。未來，量子磁力計更有可能作為GPS的輔助工具，特別是在GPS信號容易受干擾或失效的環境中。這樣的混合導航系統將大大提高導航的穩定性和可靠性。隨著技術的進一步發展，量子磁力計有可能在未來成為主要的導航技術之一，特別是在軍事、航空、海洋和地下應用中。這些領域對高精度和抗干擾的導航技術有著極高的需求。因此，雖然量子磁力計在未來有潛力部分取代GPS，但在短期內，它主要將作為輔助工具，幫助提高導航系統的整體性能和可靠性 ## 延伸閱讀 - [量子磁力計簡單綜述文章](https://www.gemsys.ca/pdf/GEM_Brief_Review_of_Quantum_Magnetometers-1.pdf) - [量子磁力計簡單文章](http://www.ioffe.ru/atomic_radiospectroscopy_lab/atomic_radiospectroscopy_lab_files/quant_mags/magnetometers.html) - [NASA 量子磁力計報告](http://www.ioffe.ru/atomic_radiospectroscopy_lab/atomic_radiospectroscopy_lab_files/quant_mags/magnetometers.html) - [航天應用量子磁力計綜述文章](https://www.mdpi.com/1424-8220/21/16/5568) - [鑽石空缺量子磁力計工作原理動畫](https://www.youtube.com/watch?v=Z6OX88jrTKc) - [基於原子的量子磁力計工作原理動畫](https://www.youtube.com/watch?v=t5xouhWol3M)

陳世杰
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一生只有一件事，那就是無所事事。

歐家妤
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歐家妤是2024年7至8月EntangleTech的實習生，正值人生方向探索階段，對世界充滿好奇，偶然邂逅量子力學，被如同科幻小說的世界深深吸引，決定探索這個神奇的領域。

林昱誠
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林昱誠是 EntangleTech 技術長，同時也是一名藥師，研究所期間致力於藥物化學研究。2023 年 IBM 評選為臺灣第七個 Qiskit advocate，也是臺灣唯一一個非理工出身的 Qiskit advocate，致力於推廣量子計算應用於藥學與醫學領域。