車東西（公衆号：chedongxi）
作者| James
編輯| 曉寒
量子技術很快就會走進你的汽車！
“遇事不決，量子力學”成為非常流行的一句網絡用語，除了有人們遇事不決時的煩惱，還有對量子力學高深莫測的敬畏。然而，科技日新月異，量子技術進入我們的生活已經不是夢想。
就在不久前，全球最大的汽車零部件供應商博世成立了量子傳感器業務部門，目的就是為了把量子傳感器商業化。并且，這一部門隸屬于汽車電子，可以說博世就是要把量子技術應用于汽車。
根據博世官網的描述，這一業務部門的首款汽車零部件是個“量子陀螺儀”。其作用與普通的陀螺儀類似，都是感覺位置的變化，但是精度卻能提升高達100倍！
▲量子陀螺儀基本原理
自動駕駛系統需要精确了解汽車自身的位置才能實作，業内目前多通過高精度定位裝置和IMU（包含陀螺儀的慣性測量單元）結合起來使用以确定車輛的位置。
尤其是在衛星定位信号有遮擋的區域（如地庫、隧道等場景），基本隻能靠IMU的姿态資料來估算車輛位置。是以說IMU，或者說陀螺儀對自動駕駛汽車，尤其是L3、L4這樣的高等級自動駕駛汽車來說，是必不可少的傳感器，并且對精度、穩定性要求極高。
如果博世這個量子陀螺儀當真能實作高達100倍的感覺精度，那對于自動駕駛産業來說，顯然極具價值。
那麼，博世的量子傳感器到底是怎麼一回事？是怎樣一個團隊再進行技術研發？他們是如何實作百倍的性能提升的？車東西經過深入研究量子陀螺儀領域的論文，并與北雲科技CEO向為等高精定位領域的專家進行交流後，得以揭開博世量子傳感器的神秘面紗。
一、成立量子傳感器BU 已經秘密研發7年
今年2月17日，博世正式宣布成立量子傳感器業務部門（BU），并且計劃将量子傳感器商業化。
為什麼要建立一個量子傳感器業務部門呢？
按照博世汽車電子副總裁Jens Fabrowsky的說法，在資料處理和傳感器方面，量子技術正在突破局限性。
事實也确實如此，量子計算已經遠超現有矽晶片的性能，量子技術的規模應用隻是時間問題。在量子傳感器領域，博世稱其相比現有傳感器最高有1000倍的性能提升。
是以，早在7年之前，博世就開始研究量子傳感器技術。在醫療領域，量子傳感器能夠更準确地診斷阿爾茨海默症、帕金森氏症等神經系統疾病；也能用于記錄神經沖動，可以控制假肢。在汽車領域，量子傳感器能感覺到物體位置的微小變化，就能用于高精定位。
▲博世研發的量子磁力計
根據研究機構麥肯錫的預測，量子傳感器的市場規模将達到70億美元。巨大的市場規模讓博世決定把7年的研究成果商業化，量子傳感器業務部門就此誕生。
在人員布局方面，博世聘請Katrin Kobe博士擔任量子傳感器BU的首席執行官，她擁有實體學博士學位，在多家科技公司擁有超過25年的管理經驗。
▲Katrin Kobe博士
根據她的領英資料，她曾在Theron Advisory Group、Laser 2000、Transradio SysnderSysteme Berlin AG等科技公司工作。2021年，她加入博世，并擔任Quantensensorik首席執行官。
換句話說，博世雖然沒有透露量子傳感器BU的名稱，但從部門CEO的履歷上看，這一部門很可能就叫Quantensensorik，其中包含了量子（quantum）與傳感器（sensor）兩個詞語。
最初成立之時，這個BU共有15名員工，未來幾個月，團隊規模将增加到20多人，工程師和業務開發人員将會快速增加。
與此同時，博世的量子傳感器BU也被納入了汽車電子部門，在德國的路德維西堡辦公。顯然，量子傳感器BU的工作重點就是汽車傳感器，其首個産品很可能就是高精定位中的陀螺儀。
二、首個産品是量子陀螺儀 是實作L4關鍵元件
如今，L2級自動駕駛成為新車标配，L4級自動駕駛也在成為車企、供應商競相争奪的領域。其中，高精定位成為自動駕駛研發過程中的關鍵技術。
博世量子傳感器BU打造的量子陀螺儀，就是高精定位子產品中的重要元件，通常情況下，其内置于IMU（慣性測量單元）内，用于感覺車輛偏轉的角速度，包括橫滾、俯仰、偏轉三個姿态。
高精度組合導航定位單元供應商北雲科技CEO向為告訴車東西，目前在高精定位行業的量産産品中，大多都采用MEMS（微機械）陀螺儀。
要想搞明白博世量子陀螺儀的原理，得從現在最常用的MEMS陀螺儀開始。
在IMU供應商ADI的官網上，有對MEMS陀螺儀的詳細介紹，能夠幫助我們了解陀螺儀的工作原理。簡單來說，陀螺儀的工作原理就是依靠科裡奧利力實作對角速度的測量。
例如從圖中A點以同樣的力、初速度、角度抛出小球，其每一次的落點都會在B點。但如果圓盤發生轉動，小球就會落在B‘點。在這一現象中，轉動參考系中觀察到的運動物體的加速現象就被稱為科裡奧利力效應，産生的慣性力就叫科裡奧利力。
▲圖解科裡奧利力
當我們知道A、B、B’之間相對距離以及小球的速度之後，就能夠通過計算得出圓盤轉動的角速度。
▲MEMS陀螺儀結構
MEMS陀螺儀與其原理相同，使用一個品質塊在陀螺儀内部反複震蕩。如果因偏轉産生科裡奧利力時，就能計算得出角速度。在實際應用中，品質塊的振蕩頻率會較高以實作實時測量，同時也會封裝多個品質塊打造雙核、四核陀螺儀避免因震動出現誤差。
▲四核MEMS陀螺儀
在高精度定位的IMU子產品中，擁有三軸陀螺儀和三軸加速度感應器，陀螺儀用于感覺橫滾、俯仰、偏轉三個方向的角速度偏轉，與加速度計配合，實作對位置的感覺。
小鵬汽車的停車場記憶泊車就是IMU發揮實力的一個代表性場景。在停車場内，通常沒有GPS信号和網絡連接配接，定位相當困難。然而，利用IMU對車身姿态的實時感覺，就能感覺到車輛目前所在的位置，進而實作無GPS信号條件下定位。
▲小鵬汽車的空間定位和記憶泊車
是以，駕駛員隻需要開車進車庫一次，讓車輛記下整個泊車過程，下一次車輛就能自己開。
在L4級自動駕駛中，IMU慣性測量單元的角色實際上更加重要。可以說，看似不起眼的陀螺儀其實是實作自動駕駛的核心部件之一。
博世要打造的量子陀螺儀，實作的效果和現有MEMS陀螺儀完全相同，但構成和原理卻完全不同。
在實體學中，量子代表着構成物質的最小的不可分割的基本機關。博世的量子陀螺儀就采用一種堿金屬铷（Rb）和一種稀有氣體氙（Xe）打造了MEMS蒸汽陀螺儀，其中铷和氙兩種物質都以原子形式存在，每個原子就是構成铷和氙的最小機關。
▲充滿铷和氙的氣室
博世表示，這種量子陀螺儀能夠實作更穩定的位置感覺，為提升自動駕駛安全性鋪平了道路。
從原理上來說，量子陀螺儀也相比MEMS陀螺儀更為複雜。量子陀螺儀需要有一個密閉的氣室，其中混合着铷和氙兩種氣體。氣室的體積并不大，比較小的大約在1～10mm ，較大的有1cm 。
▲量子陀螺儀氣室
傳感器通過測量氣室内原子自旋進動頻率變化，進而計算得到角速度。
在下圖中，加入了Z軸方向的磁場B，内部的原子就産生了拉莫爾進動現象。加上與磁場方向相同的泵浦光之後，原子就會被極化。接着，在正交于靜磁場B方向（X、Y軸平面）外加頻率與原子進動頻率相等、均勻交變的磁場B1，核自旋回産生核磁共振，并且共振頻率等于拉莫爾角頻率。
▲量子陀螺儀原理
最後，在X、Y軸平面施加檢測雷射，檢測拉莫爾進動頻率，就能夠計算出角速度。
實際上，稱其為量子陀螺儀隻是因為其基于量子原理，在學術界也有核磁共振陀螺儀、原子陀螺儀等名稱。
▲博世研發人員正在測試量子陀螺儀
了解完兩種陀螺儀的原理之後可以發現，量子陀螺儀的複雜程度相對更高，并且還有較高的技術門檻，那為什麼博世還要造量子陀螺儀呢？
答案就在于：量子陀螺儀能夠大幅提升定位精度，并且抗幹擾能力強，不需要活動部件。是以很有可能在自動駕駛領域廣泛應用。
三、精度提升百倍 L4能變更簡單
實際測試中正是如此。博世的量子陀螺儀實作了0.02deg/hr的零偏穩定性和0.005deg/√hr的角度随機遊走值。與現有量産産品比較，博世量子陀螺儀的零偏穩定性相比現有産品有上百倍的提升，角度随機遊走也有數十倍的提升，可以大幅度提升定位精度。
換句話說，要實作L4級自動駕駛，變得更簡單了。
為什麼這麼說呢？
北雲科技CEO向為介紹，陀螺儀的零偏穩定性、漫漂系數、标度因子與正交誤差這幾個參數都相當關鍵。但通常情況下，零偏穩定性較好的陀螺儀，其他幾個參數表現也不會差。與此同時，角度随機遊走相當于是零偏穩定性的另一種表現形式，是以零偏穩定性就成為衡量陀螺儀性能的關鍵。
在北雲科技的高精度定位組合導航産品中，A1高精度組合導航闆卡是最早量産的産品，其中部分型号使用了Epson的IMU子產品，零偏穩定性能夠達到1.2deg/hr。
▲Epson的一款IMU
向為告訴車東西，零偏穩定性代表陀螺儀測量值與真值的內插補點。雖然國内外對零偏穩定性的的計量标準有些許差異，但這一數值都代表着零偏的中短期穩定性。同時，陀螺零偏對位置誤差的影響表現為随時間變化呈現三次方發散趨勢，在高精度定位行業中，這是一項非常重要的名額。
零偏穩定性數值越小，也就代表着誤差穩定性表現越好，對于高精度定位模組來說，位置就越容易估計。
向為說道，汽車行業内前裝量産的IMU子產品，其陀螺儀的零偏穩定性普遍在4deg/hr左右，這也是行業内的主流水準。如果零偏穩定性再高一些，能實作1.2deg/hr的産品已經是業内頂尖。
是以，博世的量子陀螺儀實作零偏穩定性0.02deg/hr和角度随機遊走0.005deg/√hr的水準，遠超現階段業内頂尖水準。
“在可以預見的未來，行業内普遍使用的MEMS陀螺儀，其性能難以有巨大突破。近期，北雲科技也在關注是否能夠通過新的工藝或者技術不斷成熟并量産出來。”
例如，矽光子陀螺儀就是陀螺儀業界的前沿，利用矽光子晶片和雷射實作對角速度的計算。
談到矽光子陀螺儀的量産進度，向為說，近幾年矽光子晶片快速發展，這一技術距離量産已經越來越近，未來很可能代替現有MEMS陀螺儀成為高精度定位領域的新技術。預計矽光子陀螺儀的零偏穩定性能夠比MEMS陀螺儀提升幾個數量級，大約是0.0x deg/hr的水準。
比較有趣的是，矽光子陀螺儀的性能竟然和量子陀螺儀的性能非常接近。
是以，矽光子陀螺儀與量子陀螺儀的商業化角逐已經展開，率先以低成本實作商業化才能把握高精度定位的未來。
結語：自動駕駛帶動量子傳感器商業化
博世成立量子傳感器業務部門，其重要目的之一，就是實作量子傳感器的商業化。再深入一層，博世其實想從自動駕駛更深層的基礎把握整個市場機遇。
陀螺儀，是自動駕駛系統高精定位子產品中IMU内部的一個小元件，其渺小程度有如九牛之一毛。很顯然，像博世這樣的Tier 1巨頭早已拆解了自動駕駛的方方面面，并從各種細枝末節發力。
不過，量子陀螺儀同樣有着較高的量産門檻。每年，全球铷産量僅有幾噸，大部分以氧化物形式存在，提煉就很困難。加上铷十分活潑，加工運輸都是難題。面向可預見的未來，量子陀螺儀的商業化之路還相對遙遠。