Готовы тратить любые деньги
От авиационных пассажирских рейсов до судоходства мы полностью зависим от точных навигационных систем. Научные исследования в области квантовых технологий позволят нам повысить свою безопасность
— Эндрю Гриффит, министр науки Великобритании.
Министр, кстати, участвовал в финальном испытательном полете, находясь на борту авиалайнера.
Проектом кардинально новой системы навигации занимаются сразу три компании. Infleqtion разрабатывает квантовые технологии, а BAE Systems и QinetiQ представляют аэрокосмическую отрасль Великобритании. Они уже получили финансирование в размере 8 миллионов фунтов стерлингов напрямую от британского правительства, и это только начало.
Руководство Великобритании относится крайне серьезно к новой системе навигации. Бюджет Национальной квантовой стратегии составляет колоссальные 2,5 миллиарда фунтов стерлингов. Возникает вопрос: что такого важного в системе квантовой навигации, если на ее разработку на Туманном Альбионе готовы потратить любые деньги. Давайте разбираться.
Квантовая запутанность
Навигационные системы, GPS, GLONASS и Galileo, которыми мы пользуемся сейчас, сложно назвать идеальными. Дело в том, что они полностью привязаны к спутникам на орбите, а с теми в любой момент может случиться всякое. Их может повредить метеорит или космический мусор, в электронные «мозги» могут запросто залезть хакеры, в конце концов, на Солнце может произойти особенно сильная вспышка, и…
На Земле со спутниковой навигацией тоже не все слава богу. Помещение, подвал, подводное расположение, и скажи «до свидания» устойчивому сигналу. Кроме того, данные о местоположении не всегда обрабатываются быстро и точно. А ведь хочется, чтобы навигация была надежной в любых условиях.
Возможно, решение этой архинужной и архиважной проблемы придет со стороны квантовой физики. Это относительно молодое направление в науке исследует свойства атомов и фотонов. И вот внутри квантовой физики, заранее извините за частое употребление термина, придумали квантовую навигацию.
Дальше будет слегка сложно, но мы прорвемся. В квантовой навигации используется два основных инструмента: квантовый интерферометр и, соответственно, квантовый компас.
В природе существует интересное явление, которое называется интерференцией. Это когда две и более волн (в данном случае, световых) накладываются друг на друга, в результате чего на свет появляется новая волна, у которой амплитуда и фаза совсем разные.
Однако, если одна из первичных волн вдруг решит изменить свою длину или направление движения, то вторичная волна (интерференционная картина) тоже поменяется. И это изменение можно не только измерить, но и проанализировать. Именно этим и занимается квантовый интерферометр. Он может определить и скорость, и ускорение объекта с поразительной точностью.
В свою очередь, квантовый компас, так же как и обыкновенный, задействует магнитное поле Земли, на основании которого он определяет, откуда и куда движется объект. Работа такого компаса базируется на квантовой запутанности. Дело в том, что квантовые объекты, два и более атома или фотона, связаны другом с другом, даже если физически находятся на разных краях Вселенной. Когда на один из квантов воздействует внешнее поле, то состояние другого объекта моментально меняется. Такие перемены четко фиксируются и отлично просчитываются.
Вот так квантовый компас очень точно определяется угол между магнитным полюсом Земли и направлением движения объекта.
За технологией — будущее!
Новая навигационная система имеет как массу плюсов, так и множество минусов. Ей вообще не нужны костыли (внешняя структура) в виде многочисленных спутников на орбите. Ее чрезвычайно сложно взломать извне. Она отлично функционирует в любых условиях, отличается удивительной точностью и невероятностью скоростью.
Но! Аппаратура для квантовой навигации очень дорогая. И это еще мягко сказано. Вдобавок к этому она весьма чувствительна к температуре и внешней вибрации. Ей нужны дополнительные устройства, которые сами стоят, как крыло от самолета. К примеру, тем же англичанам пришлось сконструировать компактные оптические атомные часы Tiqker и квантовую систему на основе сверххолодных атомов в герметичных условиях.
Часы, естественно, отвечают за точное время, а ультрахолодные атомы идеально подходят для создания квантовых акселерометров и гироскопов. Именно на их разработку было потрачено 8 миллионов фунтов стерлингов.
Впрочем, потенциал квантовой навигации ценнее любых, даже астрономических сумм. В новой технологии остро нуждаются военные, летчики, космонавты, подводники, геодезисты, медики и еще тысячи разных специальностей. Квантовая навигация нужна самолетам, ракетам, спутникам, подводным лодкам, дронам, поездам и автомобилям. Технологию можно использовать в разных, самых неожиданных сферах. Например, чтобы измерить гравитационное поле Земли, найти скрытые объекты глубоко под землей или провести медицинскую диагностику.
Словом, за квантовой навигацией — будущее, яркое, блестящее, захватывающее!
