量子AI导航获创新奖: 问答

量子导航：颠覆传统，开创未来

在GPS信号失效的情况下，对于普通人来说，这通常只是一个小小的不便，可以通过前往信号更好的地方解决。然而，对于越来越容易受到GPS干扰和欺骗的军用和民用飞机来说，这却是一个更加严重的问题。国家和个人对GPS信号的干扰和欺骗行为日益猖獗，给航空安全带来了巨大威胁。

为了应对这一挑战，利用地球磁场进行导航的量子地磁导航系统应运而生。SandboxAQ是一家专注于人工智能和量子技术交叉领域的公司，今年早些时候发布了其防欺骗导航技术AQNav，该技术经过了美国空军（USAF）、波音和空中客车等机构的广泛测试。7月，SandboxAQ和USAF成功地在USAF C-17 Globemaster III运输机上演示了该技术。

AQNav将量子技术和人工智能技术相结合，最近被《时代》杂志评选为2024年最佳创新之一。《时代》杂志将该项目描述为SandboxAQ导航部门总经理、前谷歌员工Luca Ferrara的“心血之作”。

在本次问答中，Ferrara探讨了AQNav的研发历程，以及军用飞机环境对量子系统的挑战，以及物理学、计算机科学等多学科融合如何成为其成功的关键。

量子技术的突破：AQNav的起源

Luca Ferrara：利用指南针进行磁导航的概念由来已久。利用地球磁场异常信息进行导航的起源可以追溯到学术界。

当我还在[谷歌创新实验室] X工作时，SandboxAQ还处于谷歌内部孵化阶段，大约是在2020年左右，团队专注于量子传感的应用。我被调到这个团队，负责战略工作，我发现这个团队的核心技术——量子传感技术，特别是磁力计，可以应用于GPS和导航问题。

如果你看看当时学术界的研究成果，并结合最新一代的设备、技术和现代云计算软件能力，你就可以很快地将这些点连接起来，开发出可用的东西。从2020年到今年，我们花了三年时间在C-17上进行了实时演示。但在这段时间里，我们已经找到了证明点，首先是使用其他人的数据，并专注于算法方法。

从[谷歌母公司] Alphabet独立出来后，我们专注于开发自己的硬件系统。这些系统创建了一个数据集，其中包含了我们关于磁场环境所需的信息，这样我们就可以从噪声中提取信号，并将其用于我们专有的地图匹配和导航算法。

AQNav的堆栈是专有的，但我们所做的是将物理学、硬件和软件结合在一起，从硬件中提取信息，并在核心执行特定于应用程序的操作。

AQNav的工作原理

AQNav采用模块化架构，将网络中的传感器视为数据集创建者，其设计方式使得传感器能够包含足够的信息，以便我们能够在飞机上使用人工智能提取信号。在这种情况下，信号意味着提取我们系统所在位置的地球磁场估计值，并本质上假装飞机在磁场方面没有产生任何扭曲。

从软件的角度来看，我们清理数据流，然后利用现有的地球磁场地图，并利用我们在状态估计理论方面取得的创新成果。我们拥有地球物理学领域的专家，他们可以设计这些算法，以空间方式利用地球磁场。

我们取得成功的关键在于，我们拥有所有这些不同的学科，并在内部进行垂直整合。我们不生产自己的量子传感器，因为我们相信目前市场上已经存在足够多的竞争和高质量的传感器供我们使用。所有这些要素的协调都需要发生，才能生成位置解决方案。

我们目前专注于航空航天领域，因为地球磁场中的数据量以及你从地球磁场中获得的实际位置精度，在航空航天领域最为有用。短期内，我们不认为磁导航平均会超过GPS，或者能够达到与GPS相似的精度。但从全球范围来看，凭借现有的地图，我们拥有强大的能力，能够保持飞机继续飞行所需的精度，随着时间的推移，这种精度应该会得到提高。

量子技术对环境噪声非常敏感，而军用飞机的环境非常嘈杂。你们是如何克服这一挑战的？

这是一个真正的挑战，也许是主要的挑战。好消息是，关于如何在飞机上校准磁力计，存在大量的技术知识、标准、技术和程序，因为诸如姿态和航向参考系统（AHRS）之类的系统使用位于机翼上的校准磁力计来执行航向部分。

你需要进行所谓的“飞机摆动”，即通过不同的电子设备，记录所有系统开机和关机时的状态，让飞机执行某些机动，并捕获所有这些信息来校准你的系统。这需要相当多的数据采集，人工智能可以帮助推断其中的一些数据，而无需实际将其包含在你的数据集中。

你对硬件位置越聪明，或者从工程角度来说，你拥有的飞机上将传感器远离噪声源的余地越多，你的工作就越容易。这些磁场地图是通过在飞机后部安装一个大约3米（10英尺）长的吊杆来制作的。

如果能够正确地进行范围设置，这个距离足够远，可以保证完全干净。有时我忍不住想把所有时间都花在寻找一个非常符合空气动力学的吊杆上，但对于大多数用例来说，使用任何没有大规模商业价值的东西是不现实的。

《时代》杂志将AQNav描述为你的“心血之作”。你对这种技术的热情从何而来？

我在谷歌有一份日常工作，当新冠疫情爆发时，我感到无聊，因为像所有人一样，我都在家工作，我发现了一个机会，可以为一个我从未听说过的团队做一些战略工作，这个团队叫做SandboxAQ。当我了解到他们想要更好地理解什么时，我已经对人工智能有所了解，所以我决定学习量子和导航，这真的很有趣。

原本只占我工作时间的20%，慢慢地变成了几乎全部时间，我把自己置于一个尴尬的境地，我的日常工作变得有点棘手。我决定这是我的新工作，并全身心投入其中。不久之后，我们从Alphabet独立出来，团队只有我一个人。仅仅三年时间，我们就组建了一个由几十人组成的团队，取得了很大的成就。

我对这项技术的热情源于三个方面。首先，它是一项很酷的技术。它就像一个“流行语沙拉”，但这些技术的最终状态很容易理解，也很有趣。定位技术和导航系统是人类随着时间推移发展起来的，就像英国在经度挑战中发挥了重要作用一样。最后，这项技术有真正的需求。很多很酷的技术和产品并没有那么大的影响力，但我从未质疑过这款产品是否会造福社会。

这激发了我的热情，因为我们越努力地将其变为现实，它就越快能够落入人们手中，也越快能够对他们产生影响。当人们寻找项目时，他们往往会寻找这种吸引力。

本文最初发表在AI Business的姊妹出版物《Enter Quantum》上。