Квантовые технологии не ограничены стенами лабораторий — они все больше проникают в нашу повседневную жизнь. С их помощью можно трансформировать даже фундаментальные вещи — например, способы передвижения людей.
Представьте себе подводные лодки, которые плавают на глубине, не всплывая для обновления местоположения, или самолеты, летающие с безупречной точностью и без радиопомех. Сценарии кажутся фантастичными, но они могут стать реальностью благодаря новой технологии под названием квантовая навигация.
Глобальные навигационные спутниковые системы, такие как GPS, глубоко внедрены в современное общество. От них зависит не только бытовое определение геолокации, но и многие другие процессы, но, несмотря на свои преимущества, системы типа GPS достаточно уязвимы. К примеру, спутниковые сигналы можно заглушить, они подвергаются помехам из-за военных действий и по другим причинам.
Космическая среда также непостоянна — Солнце регулярно извергает гигантские шары плазмы, вызывая солнечные бури. Все это нарушает работу спутников и сигналов GPS. По оценкам, возможная утрата GPS обойдется экономике США в 1 млрд долларов в день, если не считать сбои в связанных с нею системах.
Сигналы спутников не везде работают эффективно — например, они не проникают под воду или в подземные пространства. Высотки отражают сигналы и ухудшают точность геолокации. Здесь на помощь и может прийти квантовая навигация.
Квантовая наука описывает поведение частиц в масштабах, меньших, чем атом. Она открывает поразительные эффекты, такие как суперпозиция — состояния, в которых частицы существуют одновременно, и запутанность, когда частицы непостижимым образом связаны через пространство и время. Эти эффекты хрупки и обычно исчезают при наблюдении, поэтому мы их не замечаем в повседневной жизни. Однако именно из-за хрупкости квантовые процессы могут работать как идеальные сенсоры.
Квантовые сенсоры сверхчувствительны, потому что квантовые частицы реагируют на малейшие изменения в окружающей среде. В отличие от обычных сенсоров, которые могут не уловить слабые сигналы, квантовые сенсоры эффективны в обнаружении даже самых мельчайших изменений — например, во времени, гравитации или магнитных полях.
Их чувствительность обусловлена тем, как легко квантовые состояния изменяются при колебаниях в окружении, что позволяет измерять с гораздо большей точностью, чем раньше. Эта точность критически важна для надежных навигационных систем.
По словам Эллисон Кили из Университета технологии Суинберна, квантовые сенсоры можно использовать для улучшения точности местоположения через магнитные и гравитационные поля Земли, улучшения ориентации — через квантовые гироскопы, и обеспечения точного времени за счет компактных атомных часов. Эти технологии, возможно, будут дополнять и в некоторых случаях заменять традиционные спутниковые системы навигации.
Потенциал квантовой навигации очевиден, но реализовать ее на практике — большая проблема. Исследователи и компании по всему миру работают над усовершенствованием этих технологий, а стартапы разрабатывают прототипы квантовых акселерометров и гироскопов. Однако большинство из них находится на ранних стадиях тестирования, либо их применяют в узких областях.
Современные квантовые устройства дорогие и сложные, что делает их массовое производство перспективой далекого будущего. Если преодолеть эти трудности, квантовая навигация, конечно, не заменит GPS в одночасье, но может стать важной частью инфраструктуры, обеспечивающей развитие мира, пишет Science Alert.