Квантова навигация: революция в пространственото ориентиране без GPS

Съвременните квантови технологии вече не са само в лабораториите – те започват да променят ежедневието ни. Сега те са на път да променят един от най-фундаменталните аспекти на нашето съществуване: начина, по който се ориентираме в пространството.

Представете си подводници, които могат да пътуват под вода без да излизат на повърхността, за да актуализират координатите си. Самолети, които прелитат континенти с ненадмината точност без да се влияят от намесата на навигационните системи. Спасители, които се ориентират в задимени сгради и подземни тунели с безупречна точност и автономни автомобили, които изминават перфектни маршрути през гъсто населени градски квартали.

Тези сценарии може да изглеждат като научна фантастика, но те са възможни благодарение на нов подход, известен като квантова навигация.

Глобалните системи за спътникова навигация като GPS са дълбоко интегрирани в съвременното общество. Използваме ги всеки ден – за навигация, за поръчка на стоки и доставки, за поставяне на географски етикети на снимки, но тяхното значение далеч надхвърля нашето удобството. Навигационните сигнали от спътниците, които обикалят около Земята, се използват за удостоверяване на борсови сделки и балансиране на енергийната мрежа. В селското стопанство GPS задвижва автономни трактори и помага за пашата на добитъка. Службите за спешна помощ зависят от сателитните навигационни системи, за да достигнат по-бързо до пострадалите.

Въпреки предимствата си, тези системи са уязвими. Спътниковите сигнали могат да бъдат заглушавани или смущавани. Това може да се случи в зони на военни конфликти, при терористични атаки или дори като част от законна (или незаконна) защита на личния живот. Карти в реално време като GPSJAM показват областите на прекъсване на сигнала – например в Близкия изток, около Русия и Украйна и в Мианмар.

Освен това космическата среда е нестабилна. Слънцето периодично изхвърля огромни облаци плазма, което предизвиква така наречените слънчеви бури. Тези емисии се сблъскват с магнитното поле на Земята, като нарушават работата на спътниците и GPS сигналите. Понякога тези ефекти са временни, но могат да причинят и сериозни щети в зависимост от силата на изригването. Сривът на глобалните навигационни спътникови системи би бил нещо повече от неудобство – той би нарушил работата на критични инфраструктури.

Изчислено е, че срив на GPS би струвал на американската икономика приблизително 1 милиард долара на ден, като би предизвикал верижна реакция от сривове в свързани системи.

Сигналите на спътниковата навигация не работят добре при някои условия. Те не проникват през вода или под земята. Ако някога сте се опитвали да използвате Google Maps в гъсто застроен град, може би сте се сблъсквали с проблеми: високите сгради водят до отразяване на сигналите, което намалява точността на позициониране. Във вътрешността на сградите сигналите са по-слаби или изобщо не са налични.

Тук на помощ може да дойде квантовата навигация.

Квантовата наука описва поведението на частиците в мащаби, по-малки от тези на атома. Тя разкрива изненадващи ефекти, като суперпозиция (когато една частица може да съществува в повече от едно състояние едновременно) и заплитане (когато частиците са свързани помежду си в пространството и времето по начин, който противоречи на класическите представи). Тези ефекти са изключително крехки и са склонни да изчезват при наблюдение, така че не ги забелязваме в ежедневието. Именно тази крехкост обаче прави квантовите процеси уникални сензори.

Сензорът е устройство, което открива промени в околната среда и ги преобразува в измерим сигнал. Например, автоматичните врати, които се отварят, когато човек се приближи, или сензорните екрани на смартфоните. Квантовите сензори са изключително чувствителни, тъй като квантовите частици реагират дори на минимални промени в околната среда. За разлика от конвенционалните сензори, които могат да пропуснат слаби сигнали, квантовите устройства са отлични в откриването на минимални колебания във времето, гравитацията и магнитните полета. Тази точност е от решаващо значение за надеждните навигационни системи.

Изследователи разработват нови начини за използване на квантови сензори за измерване на магнитното поле на Земята за целите на навигацията.

Чрез прилагане на квантови ефекти в диаманти е възможно да се записва магнитното поле в реално време и да се проверяват измерванията спрямо предварително съставени карти на магнитното поле, като се създава надеждна алтернатива на GPS. Тъй като магнитните сигнали са устойчиви на заглушаване и работят под вода, те биха могли да бъдат отлична резервна система.

Навигацията на бъдещето ще съчетава квантови сензори за подобряване на точността на позициониране (чрез анализ на магнитното и гравитационното поле на Земята), подобряване на ориентацията (чрез квантови жироскопи) и подобряване на измерването на времето (чрез компактни атомни часовници и свързани системи за измерване на времето). Тези технологии ще допълнят, а в някои случаи дори ще заменят традиционните системи за сателитна навигация.

Въпреки очевидните обещания обаче прилагането на квантовата навигация в реалния живот остава предизвикателство. Изследователски групи и компании от цял свят работят за усъвършенстването на тези технологии – от академични институции до правителствени лаборатории и промишленост.

Стартъпи и големи корпорации вече разработват прототипи на квантови акселерометри (устройства за отчитане на движението) и жироскопи, но те все още са в ранен етап на тестване и се използват само в специализирани приложения. Основните предизвикателства включват необходимостта от миниатюризация на квантовите сензори, намаляване на консумацията на енергия, подобряване на стабилността извън лабораторията и интегриране със съществуващите навигационни системи.

Съществува и проблемът с цената: съвременните квантови устройства са скъпи и сложни, което прави масовото им приложение въпрос на бъдеще.

Ако тези пречки бъдат преодолени, квантовата навигация може да промени ежедневието в много области. Макар че няма да замени веднага GPS, с течение на времето тя би могла да се превърне в неразделна част от глобалната инфраструктура, осигурявайки движение и ориентация в пространството дори там, където няма сателитни сигнали.