Nawigacja bez GPS coraz bliżej, a to dzięki przełomowi kwantowemu

Dzisiejsze typowe czujniki ruchu do nawigacji mają mniej więcej wielkość grejpfruta i pomagają sterować statkami, samolotami i pojazdami w połączeniu z sygnałami GPS. Oznacza to, że do prawidłowego funkcjonowania zawsze potrzebują łączności satelitarnej, ale nowy rodzaj „kompasu kwantowego” może w końcu pozwolić nam całkowicie zrezygnować z satelitów.

Pomysł wykorzystania technologii kwantowej do nawigacji nie jest całkiem nowy. Technika ta opiera się na czujnikach zwanych interferometrami atomowymi, które mogą śledzić położenie i ruch bez konieczności stosowania satelitów GPS. Problem polegał jednak na tym, że aby uzyskać wymaganą precyzję nawigacji, obiekt musiał być ogromny, bo musiał pomieścić sześć interferometrów atomowych o rozmiarze, który był w stanie wypełnić całe pomieszczenie. To się jednak właśnie zmienia.

Zespół z Sandia National Labs opracował ultrakompaktowe chipy optyczne, które mogą zasilać kwantowe czujniki nawigacyjne w obudowie na tyle małej, że można ją umieścić w zasadzie wszędzie. Sztuczka polega na zastąpieniu nieporęcznych systemów laserowych zwykle potrzebnych w interferometrach atomowych maleńkimi zintegrowanymi obwodami fotonicznymi. 

Pomysł wykorzystania technologii kwantowej do nawigacji nie jest całkiem nowy.

Naukowcy twierdzą, że zmniejszenie zależności od GPS jest ważne, ponieważ sygnały satelitarne mogą zostać zakłócone lub sfałszowane. Może to powodować poważne problemy w operacjach wojskowych lub zautomatyzowanych systemach transportowych. „Wykorzystując zasady mechaniki kwantowej, te zaawansowane czujniki zapewniają niezrównaną dokładność pomiaru przyspieszenia i prędkości kątowej, umożliwiając precyzyjną nawigację nawet na obszarach pozbawionych sygnału GPS” – powiedział naukowiec z Sandii, Jongmin Lee.

Aby to wszystko osiągnąć, kluczowym elementem opracowanym przez naukowców jest modulator, który może precyzyjnie kontrolować i łączyć wiele częstotliwości lasera z jednego źródła, eliminując potrzebę układania pojedynczych laserów w stosy. Oprócz tego, że są bardziej kompaktowe, chipy są również bardziej odporne na wibracje i wstrząsy. Taka wytrzymałość mogłaby pozwolić na zastosowanie czujników kwantowych we wszelkiego rodzaju trudnych środowiskach, które nie nadają się do dzisiejszych modeli.

Do tego dochodzi czynnik kosztowy. Te kwantowe systemy nawigacji wielkości pomieszczenia są nie tylko ogromne fizycznie, ale też niezwykle drogie. Pojedynczy modulator laserowy może kosztować ponad 10 000 dolarów. Zespół Sandii ma jednak nadzieję, że dzięki wykorzystaniu produkcji półprzewodników do masowego wytwarzania chipów uda się znacznie obniżyć koszty i tym samym zwiększyć zakres zastosowania. „Możemy wyprodukować setki modulatorów na pojedynczym 8-calowym waflu krzemowym, a nawet więcej na 12-calowym waflu” – powiedział naukowiec z Sandii, Ashok Kodigala.

Aplikacje te mogą również wykraczać daleko poza nawigację i kopie zapasowe GPS. Zespół bada możliwość wykorzystania czujników kwantowych do wykrywania subtelnych zmian grawitacyjnych w celu mapowania podziemnych zasobów i struktur. Kompaktowe chipy optyczne mają duży potencjał również w takich obszarach, jak LIDAR, obliczenia kwantowe i komunikacja optyczna.