Kvantový kompas nabízí navigaci bez satelitů  
Britští kvantoví inženýři postavili první praktický kvantový akcelerometr. S takovou vychytávkou nepotřebujete ke spolehlivé navigaci GPS ani žádné jiné satelitní navigace. Kvantový kompas slibuje pozoruhodné civilní i vojenské aplikace.
Kvantový kompas z Imperial College. Kredit: Imperial College London.
Kvantový kompas z Imperial College. Kredit: Imperial College London.

Navigace v dnešní době závisí především na globálním navigačním satelitním systému GPS. Ten komunikuje se sítí satelitů na oběžné dráze. Ve Velké Británii ale nedávno postavili první kvantový akcelerometr, který je soběstačným systémem a nezávisí na žádných vnějších signálech.

Imperial College London.
Imperial College London.


Právě závislost na satelitních signálech představuje ohromnou slabinu soudobné navigace, ať už civilní nebo vojenské. Satelity systému GPS a dalších navigačních systémů představují jasný prioritní cíl v případě konfliktu zemí, jejichž armády jsou technologicky schopné ohrozit satelity na oběžné dráze a jejich komunikaci. Signály sítě GPS je možné rušit, hacknout nebo dokonce zlikvidovat vyřazením satelitů. Pokud by k tomu došlo, budou navigační GPS systémy nahrané. Odborníci odhadují, že v dnešní době by vyřazení sítě GPS na jediný den přišlo samotnou Velkou Británii na cca 1 miliardu liber. A to je vážně hodně peněz.

Satelit Block II-F systému GPS. Kredit: NASA.
Satelit Block II-F systému GPS. Kredit: NASA.


Joseph Cotter z Imperial College London a jeho kolegové, společně s odborníky společnosti M Squared, vyvinuli, postavili a předvedli mobilní a komerčně životaschopný kvantový akcelerometr. Došlo k tomu na akci National Quantum Technologies Showcase, jejímž cílem bylo předvést technologické úspěchy britského programu UK National Quantum Technologies Programme. Britská vláda si tímhle způsobem kontroluje výsledky své pětileté investice 270 milionů liber do kvantových technologií.


Akcelerometry fungují tak, že sledují změny zrychlení objektu v čase. Pokud je známa počáteční pozice, tak je možné díky akcelerometru spočítat jeho novou pozici. Jinými slovy, akcelerometr může fungovat jako „kompas“. Technologie akcelerometrů není nic nového. Akcelerometry mají ve svých vnitřnostech dnešní notebooky nebo chytré telefony. Podobná zařízení ale nejsou dostatečně přesná a jejich navigace se brzy začne rozcházet s realitou, pokud nekomunikuje s vnějšími navigačními signály.


Kvantový akcelerometr je neuvěřitelně přesný díky tomu, že spoléhá na měření ultrachladných atomů. Tyto atomy jsou v zařízení ve stavu, v němž je má pevně ve svých rukou kvantová mechanika. Atomy v kompasu „padají“ a jejich vlnové vlastnosti jsou přitom ovlivněné aktuálním zrychlením tohoto zařízení. Optický systém kvantového akcelerometru dovede tyto nepatrné změny velice přesně změřit.


Aby kvantový akcelerometr fungoval jako kompas, tak má k dispozici velmi výkonný a velmi vyladěný laserový systém. Lasery zajišťují ochlazování ultrachladných atomů, a také měření jejich reakcí na zrychlení akcelerometru. Velmi podobnou technologii už britští vědci použili ve kvantovém gravimetru, o němž jsme na OSLU psali v létě 2017.


Britský kvantový akcelerometr je navržený pro autonomní navigaci velkých strojů, jako jsou lodě nebo třeba vlaky. Jejich technologii ale nepochybně i uvítají vědci, kteří stále s velkým zanícením pátrají po temné energii anebo loví ve vesmíru gravitační vlny. Pro autory kvantového kompasu je naprosto úchvatné, jak teď kvantové technologie, se svojí fantastickou přesností a spolehlivostí, opouštějí laboratoře a vyrážejí do světa praktických aplikací.

Video: Quantum compass could allow navigation without relying on satellites



Literatura
Imperial College London 9. 11. 2018.

Datum: 11.11.2018
Tisk článku

Související články:

Nový kvantový gravimetr potěší geology a prospektory     Autor: Stanislav Mihulka (05.08.2017)
Kvantové rádio umožní komunikaci a navigaci pod zemí a pod vodou     Autor: Stanislav Mihulka (06.01.2018)
Americké vesmírné síly pořizují GPS satelity odolné vůči rušení     Autor: Stanislav Mihulka (16.02.2018)



Diskuze:

problém s gravitací

Milan Štětina,2018-11-12 12:55:55

Optimismus pana Mihulky (stejně jako pan Hrncirik) nesdílím. Dnes existující systémy založené na měření zrychlení (inerciální navigace) mají odchylku v jednotkách metrů, je tu ovšem několik ale:
1. platí to několik minut - chyba se zvětšuje s třetí mocninou času, takže po hodině letu (bez korekce z GPS, radiomajáku a pod.) jste s chybou někde na 3 kilometrech
2. akcelerometr, který si položíte na stůl ukazuje, že zrychlujete přibližně 9,81m/s2 směrem dolů; toto gravitační zrychlení se musí odečíst, jenže problém je, že je na každém místě Zeměkoule trochu jiné a mění se (občas se někde odtěží nebo sesune kopec a pod.). Nepřesnosti ve znalosti gravitačního zrychlení jsou už dnes větší než přesnost akcelerometrů, takže pokud dojde ke zpřesnění, z hlediska navigace to nic neřeší.
3. GPS přijímač je o mnoho řádů levnější (přesné akcelerometry/inerciální navigace stojí kolem 10 mil. dolarů i více; existují ještě zařízení s rotujícím setrvačníkem, které jsou levnější, o něco přesnější, ale o dost těžší, takže do letadla/rakety/batohu si to nedáte).

Odpovědět


Re: problém s gravitací

Milan Krnic,2018-11-12 17:20:03

Obávám se, že nejde o o žádný optimismus autora, nýbrž optimismus původních autorů tak, jak zmínil kolega níže.
Příběh obsahuje slib, kritiku současnosti, dramatickou zápletku, zklidnění i radost a příslib pokračování. Co víc si přát?!

Odpovědět


Re: Re: problém s gravitací

Josef Hrncirik,2018-11-13 07:21:07

Aby imperialističtí kolegové alespoň přesně změřili gravitační konstantu.

Odpovědět


Re: Re: Re: problém s gravitací

Milan Krnic,2018-11-13 16:36:03

V souvislosti s příběhem je váš požadavek přinejmenším podivný. Kdoví, co by pak kolegové měli udělat, pokud by se např. zakletá princezna probudila po políbení.

Odpovědět


Re: problém s gravitací

Radoslav Porizek,2018-11-13 00:15:42

2. Ak budem presny akcelerometer, tak ho prvy krat nakalibrujem s GPS na gravitacne nehomogenity a potom ho uz mozem veselo pouzivat. Presnost zmapovanych gravitacnych nehomogenit bude pri tom rovnaka ako presnost akcelerometru.

3. Nezavislost od satelitneho navigacneho systemu je velmi zaujimava pre armadu, ktora nesmrdi grosom. Druha vec ze pri takej vojensky strategickej veci, akou su ponorky, nie je GPS signal dostupny, podla vizualu sa tam tiez neda navigovat (neviem ako pokrocilo gravitacne videnie), takze akcelerometricka navigacia tam asi bude klucova.

Odpovědět


Re: problém s gravitací

Radoslav Porizek,2018-11-13 00:46:22

Este k bodu 1.)
Keby mi niekto pre par desatorciami povedal, ze sa bude pouzivat satelitna navigacia s presnostou na metre zalozena na tom, ze zariadenie bude merat oneskorenia signalu siraceho sa rychlostou svetla v miliontinach sekundy (samo disponujuce presnym casom na miliontinu sekundy), tak by som asi zareagoval podobne.

Odpovědět

Jsou na stopě grantům. Zatím kompass funguje v jedné ose, chyba je pochopitelně tajná.

Josef Hrncirik,2018-11-12 07:27:42

Brzičko to rozšíří o nutných zbývajících 5 stupňů volnosti.
Přesně popsat geoid už oproti tomu bude nuda.

Odpovědět


Re: Jsou na stopě grantům. Zatím kompass funguje v jedné ose, chyba je pochopitelně tajná.

Václav Dvořák,2018-11-16 00:43:27

Předpokládal bych uložení zařízení v nějakém plovoucím kontejneru (tak jako jsou některé kompasy uložené v kapalinové kouli). Je pak ale otázka, jak hybnost takového kontejneru ovlivní zařízení, to se bude muset taky vyřešit.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace