Квантовата технология вече не е ограничена до лабораториите – тя си проправя път в ежедневието ни. Сега е на път да трансформира нещо още по-фундаментално: как се ориентираме по света.

Представете си подводници, които пътуват под океана, без да се налага да излизат на повърхността за актуализации на местоположението. Самолети, летящи през континенти с непоклатима прецизност, незасегнати от прекъсвания на сигнала.

Аварийните служби могат да навигират в пълни с дим сгради или подземни тунели с безупречна точност, докато автономните превозни средства чертаят перфектни курсове през гъста градска среда.

Тези сценарии може да звучат като научна фантастика, но всички те могат да станат възможни с нововъзникваща технология, наречена квантова навигация.

Тази революционна технология един ден ще предефинира движението, изследването и свързаността по начини, които едва сега започваме да си представяме. И така, какво представлява тя?

Сателитната навигация е в основата на много неща

Съвременното общество разчита на глобалните навигационни сателитни системи, като GPS. Използваме ги ежедневно за навигация, поръчване на доставки и маркиране на местоположения на снимки. Но влиянието на тази технология  далеч надхвърля удобството.

Времеви сигнали от сателити в орбита на Земята удостоверяват борсовите сделки и помагат за балансиране на електрическата мрежа. В селското стопанство сателитната навигация насочва автономните трактори и помага при събирането на едър рогат добитък.

Службите за спешна помощ разчитат на навигационни сателитни системи за бърза реакция, намалявайки времето, необходимо за достигане до нуждаещите се.

Въпреки предимствата си, системи като GPS са доста уязвими. Сателитните сигнали могат да бъдат заглушени или смущавани. Това може да се дължи на активна война, тероризъм или законни (или нелегитимни) опасения за поверителност. Карти като GPSJAM показват горещи точки на смущения в реално време, като тези в Близкия изток, райони около Русия и Украйна и Мианмар.

Космическата среда също не е постоянна. Слънцето редовно изхвърля гигантски обеми плазма, причинявайки това, което познаваме като слънчеви бури. Тези емисии се удрят в магнитното поле на Земята, прекъсвайки сателитите и GPS сигналите. Често тези ефекти са временни, но могат да причинят и значителни щети в зависимост от силата на бурята.

Прекъсването на глобалните навигационни сателитни системи би било повече от неудобство – то би нарушило нашата най-критична инфраструктура.

Прогнозите показват, че загубата на GPS ще струва само на икономиката на Съединените щати около 1 милиард щатски долара на ден, причинявайки каскадни повреди във взаимосвързани системи.

Базираната на GPS навигация може лесно да се обърка в населени местаБазираната на GPS навигация може лесно да се обърка в населени места. Кредит: Pexels / Public Domain Certification

Квантовата навигация на помощ

В някои среди навигационните сигнали от сателитите не работят много добре. Те не проникват във вода или подземни пространства, например.

Ако някога сте опитвали да използвате Google Карти в застроен град с небостъргачи, може да сте се натъкнали на проблеми. Високите сгради причиняват отражения на сигнала, които влошават точността, а сигналите са отслабени или напълно недостъпни вътре в сградите.

Това е мястото, където квантовата навигация може да стъпи за един ден.

Квантовата наука описва поведението на частиците в мащаби, по-малки от атом. В квантовия свят е пълен с контраинтуитивни явления като суперпозицията – частици, съществуващи в множество състояния едновременно – и квантово вплитане, при което частиците остават свързани през огромни разстояния на пространството и времето по начин, които противоречат на класическото разбиране.

Тези ефекти са крехки и обикновено „колапсират“ под наблюдение, поради което не ги забелязваме в ежедневието. Но самата крехкост на квантовите процеси им позволява да работят като фини сензори.

Сензорът е устройство, което открива промените в света около себе си и превръща тази информация в сигнал, който може да се измери и използва - например при автоматичните врати, които се отварят, когато се приближим до тях, или екраните на телефони, които реагират на нашето докосване.

Квантовите сензори са толкова чувствителни, защото квантовите частици реагират на малки промени в тяхната среда. За разлика от нормалните сензори, които могат да пропуснат някои слаби сигнали, квантовите сензори са изключително добри в откриването дори на най-малките промени в атмосферните условия, гравитацията или магнитните полета.

Тяхната чувствителност идва от това колко лесно се променят квантовите състояния, когато нещо в заобикалящата ги среда се измени, което позволява да се измерват нещата с много по-голяма точност от преди.

Тази прецизност е критично важна за стабилността на навигационните системи.

Екипът на Алисън Кийли (Allison Kealy) от Технологичния университет Суинбърн проучва нови начини за използване на квантови сензори за измерване на магнитното поле на Земята за навигация. Използвайки квантови ефекти в диамантите те успяват да открият магнитното поле на Земята в реално време и да сравнят измерванията с вече съществуващи карти на магнитното поле, осигурявайки устойчива алтернатива на сателитната навигация като GPS.

Тъй като магнитните сигнали не се влияят от заглушаване и работят под вода, те представляват обещаваща резервна система.

Квантов магнитометър, използван в изследванетоКвантов магнитометър, използван в изследването. Кредит: Swinburne University/RMIT/Phasor

Бъдещето на навигацията

Бъдещето на навигацията ще интегрира квантови сензори за подобряване на точността на местоположението (чрез магнитните и гравитационните полета на Земята), подобряване на ориентацията (чрез квантови жироскопи) и осигуряване на прецизно измерване на времето (чрез компактни атомни часовници и взаимосвързани системи за отчитане на времето).

Тези технологии обещават да допълнят и в някои случаи да предоставят алтернативи на традиционната сателитна навигация.

Но докато потенциалът на квантовата навигация е ясен, превръщането й в реалност остава значително предизвикателство. Изследователи и компании по целия свят работят за усъвършенстване на тези технологии, като големи усилия се полагат в академичните среди, правителствените лаборатории и индустрията.

Стартъпи и утвърдени компании разработват прототипи на квантови акселерометри (устройства, които измерват движението) и жироскопи, но повечето са ранни фази на тестване или специализирани приложения.

Основните препятствия включват намаляване на размера и изискванията за мощност на квантовите сензори, подобряване на тяхната стабилност извън контролирана лабораторна среда и интегрирането им в съществуващите навигационни системи.

Цената е друга бариера – днешните квантови устройства са скъпи и сложни, което означава, че широкото им прилагане е все още в относително далечно бъдеще.

Ако тези трудности могат да бъдат преодолени, квантовата навигация може да промени ежедневието по фин, но дълбок начин. Въпреки че квантовата навигация няма да замени GPS за една нощ, тя може да се превърне в съществена част от инфраструктурата, която поддържа движението в света.

Авторът Алисън Кийли е директор на Института за иновативна планета, Технологичен университет Суинбърн.

Тази статия е препубликувана от The Conversation под лиценз Creative Commons. Прочетете оригиналната статия.