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.

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.

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.