Как найти дорогу без спутников: новый квантовый датчик для навигации

Спутниковая навигация — удобный и точный способ определить свое местоположение на Земле. Но что делать, если сигналы спутников недоступны или подвержены помехам? Ученые из Имперского колледжа Лондона разработали прототип квантового датчика, который может работать без спутников и обеспечить высокую точность навигации в любых условиях.


Спутниковая навигация основана на глобальной системе позиционирования (GPS), которая использует сигналы от спутников, вращающихся вокруг Земли. Эти сигналы позволяют определить расстояние до спутников и вычислить координаты на поверхности планеты. Однако этот метод имеет свои ограничения. Спутниковые сигналы могут быть заблокированы высокими зданиями, горами или деревьями. Они также могут быть искажены атмосферой, солнечной активностью или искусственными помехами. Кроме того, спутниковая навигация зависит от работы и обслуживания спутников, которые могут выходить из строя или терять связь.

Альтернативой спутниковой навигации является автономная навигация, которая опирается на измерение скорости и ускорения объекта с помощью акселерометров и гироскопов. Эти приборы позволяют рассчитать перемещение объекта относительно начальной точки без внешних эталонов. Однако такие приборы также имеют свои недостатки. Они склонны к дрейфу, то есть постепенному увеличению ошибки измерения со временем. Поэтому они требуют регулярной калибровки по данным со спутника или другого источника.

Для решения этих проблем ученые разрабатывают новый тип акселерометра на основе квантовой физики. Квантовый акселерометр использует ультрахолодные атомы для проведения точных измерений ускорения. При охлаждении до сверхнизких температур атомы проявляют свою квантовую природу, то есть ведут себя как волны, а не как частицы. Это позволяет использовать лазерные импульсы для создания оптической линейки, по которой можно измерять перемещение атомов.

Квантовый акселерометр имеет ряд преимуществ перед обычными акселерометрами. Он не подвержен дрейфу, так как не зависит от механических или электрических элементов, которые могут изнашиваться или деформироваться. Он также не требует вакуумной системы для поддержания ультрахолодных атомов, так как использует специальную технологию лазерного охлаждения и захвата атомов. Кроме того, он может работать в широком диапазоне температур и вибраций.

Ученые из Имперского колледжа Лондона представили прототип квантового акселерометра в 2018 году. С тех пор они совершенствовали его до такой степени, что его можно было испытать в реальных условиях. В мае 2021 года они установили квантовый акселерометр на борту нового исследовательского корабля Королевского флота XV Patrick Blackett и провели серию экспериментов в Лондоне.


— профессор Питер Хейнс, директор Центра квантовой инженерии, науки и технологий (QuEST) в Имперском колледже Лондона.

Квантовая навигация может иметь множество применений в различных областях, таких как геодезия, геология, археология, оборона и безопасность. Она может помочь обнаруживать подземные структуры и объекты разного размера и состава, от природных до искусственных. Она также может повысить устойчивость к помехам и атакам на спутниковую навигацию.