Nahanap ang Quantum Physicists ng isang Bagong, Ligtas na Paraan upang Mag-navigate


Sa 2015, ang Nagpasya ang U.S. Naval Academy na kailangan ng mga nagtapos nito na bumalik sa nakaraan at matutunan kung paano mag-navigate gamit ang mga bituin. Siyam na taon bago ito, bumaba ang celestial navigation mula sa mga kinakailangan nito dahil ang GPS ay tumpak at simpleng ginagamit.

Ngunit kamakailang mga kaganapan ay inalog ang pananampalataya ng akademya sa GPS. Kinuha ng mga mananaliksik ang isang navigation system ng yate habang umuunlad ito sa Mediterranean. Ang isang drayber ng trak sa New Jersey ay pinondohan ng $ 32,000 para sa pagmamaneho ng isang ilegal na jammer signal na malapit rin sa paliparan ng Newark at nakakasagabal sa sistema nito. (Ang lahat ng driver na nais ay upang panatilihin ang kanyang boss mula sa pagsubaybay sa kanya.) Kaya akademya ang naisip na ang mga opisyal ng hukbong-dagat ay nangangailangan ng isang backup na plano, na may mapagkakatiwalaan Polaris bilang kanilang giya bituin. Ang kalangitan ay hindi kailanman ma-hack.

Maliban sa mga ulap. "Ano ang gagawin mo kung hindi mo makita ang mga bituin?" Sabi ni engineer na si Michael DiMario ng Lockheed Martin.

Siya at ang kanyang koponan ay maaaring magkaroon ng isang solusyon: mga sensor ng kabuuan.

Ang quantum magnetometer ng Lockheed Martin ay naglalaman ng isang napakaliit na kubo na brilyante bilang isang sensor.

Lockheed Martin

Sa loob ng halos limang taon, ang koponan ng DiMario ay nagtatayo ng isang prototype: isang silindro, mga isang paa ang haba at anim na pulgada ang lapad, na naglalaman ng isang gawa sa kristal na kubo na bahagyang mas malaki kaysa sa asin na kristal. Ang brilyante ay naglalaman ng mga espesyal na impurities; sa kanyang paulit-ulit na cubic lattice ng carbon atoms, bawat ngayon at pagkatapos ay nawawala ang isang carbon at ang kapit-bahay nito ay nitrogen atom. Ang mga tinatawag na nitrogen vacancy centers, o mga sentro ng NV, ay pinagsama-sama upang bumuo ng isang duo ng molekula sa loob ng diyamante, at sila ay naging mahusay na mga sensor ng magnetic.

Kapag ang isang berdeng laser ay nagpapaliwanag ng brilyante, tumutugon ang sentro ng NV sa pamamagitan ng pagpapalabas ng pulang ilaw. Dahil sa mga epekto ng mekanika ng quantum, ang brilyante ay nagpapalabas ng mas mababa o gaanong liwanag depende sa magnetic field na ito. Ang mga mananaliksik ay gumagamit ng gayong mga diamante upang masukat ang magnetic field mula sa isang neuron na nagpaputok sa isang pusit, halimbawa.

Quantum magnetometers pakiramdam magnetic field ng lupa, nakamapang dito sa pamamagitan ng NOAA, upang mag-navigate.

National Oceanic and Atmospheric Administration

Para sa pag-navigate, ginagamit ng DiMario ang brilyante upang makita ang mga natatanging ripples at pagkakamali sa magnetic field ng Earth na kilala bilang magnetic anomalies, na kung saan ang National Oceanic at Atmospheric Association ay dati nang na-map. Sa sandaling kinilala niya ang isang anomalya, maaari niyang gamitin ito bilang isang reference point upang mag-navigate. Sa kasalukuyan, ang mga barko at eroplano ay hindi gumagamit ng magnetic anomalies para sa nabigasyon dahil ang karamihan sa mga magnetic sensor ay maaari lamang masukat ang lakas ng field at hindi ang direksyon na itinuturo ng field, sabi ni DiMario. Subalit ang aparato ng kanyang koponan ay maaaring masukat pareho. Dahil hindi na kailangang makipag-usap sa isang satelayt upang gumana, ang kuwantum sensor na ito ay hindi masusugatan sa pag-hack.

Sa ngayon, ginamit ni DiMario at ng kanyang koponan ang sensor upang mag-navigate sa isang flight, isang SUV sa New Jersey, at isang barko sa Chesapeake Bay. Sa kalaunan, nais ni DiMario na pag-urong ang silindro sa laki ng isang hockey pak, kung saan maaari itong gamitin sa anumang uri ng transportasyon bilang independiyenteng pagsusuri sa GPS.

DiMario at ang kanyang koponan ay hindi lamang ang mga pagtaya sa quantum navigation. Sa isang National Institute of Standards and Technology lab sa Colorado, ang physicist na si Azure Hansen ay nagtatrabaho sa isang quantum gyroscope para sa sensing rotational motion. Ang mga piloto, halimbawa, ay kasalukuyang gumagamit ng isang uri ng dyayroskop upang mapanatili ang antas ng kanilang mga eroplano, at ang mga self-driving na sasakyan ay gumagamit ng mga ito upang mag-navigate. Ngunit ang kasalukuyang mga gyroscopes ay lumilipad, katulad ng kung paano ang isang mabilis na orasan ay nakakakuha ng mas mali habang dumadaan ang oras. Ang drift ay sapat na sapat na ang mga piloto ay kailangang mag-reset ng mga gyroscopes, isang pang-automated na proseso, bawat oras o higit pa. Gumagana ang mahusay na pag-reset ng-maliban kung nasira ito. Ang mga quantum gyroscopes ay maaaring maging mas maaasahan dahil hindi sila naaanod sa lahat, sabi ni Hansen: ang kanilang mga pangunahing sangkap ay mga atoms at hindi na kumaway sa oras.

Ang aparatong Hansen ay umaangkop sa isang tabletop, tungkol sa laki ng dalawang nakasalansan na minifridges. Sa loob ay isang silid na salamin, mas maliit kaysa sa isang kubo ng asukal, na naglalaman ng walong milyong rubidium atoms. Ang isang laser ay nagpapatakbo ng mga atoms, na kumikilos nang higit pa tulad ng mga alon na nagbabanggaan sa isang pond kaysa sa mga discrete particle. Ang mga banggaan ay gumagawa ng isang pattern ng ripple na, kapag nakunan, mukhang isang grupo ng mga guhitan. Kung ang silid ay umiikot, ang mga guhit ay iikot din. Ang bilang ng mga guhit ay nagsasabi sa iyo ng antas ng pag-ikot; at ang mga pagkakaiba-iba sa pattern ay maaaring ihayag ang lakas ng gravitational field ng Earth. Sa pagkakabilang, ang impormasyon sa pag-ikot at ang pagsukat ng patlang ng Earth ay maaari ring kumilos bilang isang nabigasyon tool, sabi ni Hansen. Tulad ng magnetometer ng diamante, maaari rin itong gamitin bilang backup para sa GPS.

Ang gyroscope ng NIST ay sumusukat sa pag-ikot sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga rubidium atoms gamit ang mga laser upang makabuo ng isang natatanging pattern ng guhit sa isang detektor.

Pambansang Institute of Standards and Technology

Ang mga mananaliksik ay naghahanap ng mga quantum sensors para sa iba pang mga uri ng measurements, masyadong. Ang NIST chemist na si Jay Hendricks ay bumuo ng sensor ng presyon na gumagamit ng mga pangunahing katangian ng helium atoms na maaaring gamitin ng mga pilot ng eroplano upang sukatin ang altitude. Ang sensor ay gumagana sa pamamagitan ng beaming isang laser sa isang silid ng metal na puno ng helium gas, na binabago ang kulay ng laser depende sa labas ng presyon. Ginamit nila ang isang bersyon ng aparatong ito upang makagawa ng pambansang pamantayan para sa presyur, na gagamitin ng mga kompanya ng aviation upang i-calibrate ang lahat ng mga sensors ng presyon. Ang Boeing at Lockheed Martin ay parehong nagpahayag ng interes sa device.

Gayunpaman ang mga isyu sa produksyon ay makabuluhan para sa mga instrumento sa nabigasyon ng kabuuan, at sa sandaling ang market-ready, ang kanilang mga ideal na paggamit ay hindi pa rin maliwanag. "Nagtatrabaho sila, ngunit kailangan pa naming mag-engineer sa kanila talagang mahirap," sabi ng pisiko na si Pauli Kehayias ng Sandia National Laboratory. "Dahil lamang sa quantum na ito ay hindi nangangahulugan na ito ay mas mahusay."

Kinikilala ng Hansen na ang pag-urong at pag-perfect ang mga device na ito ay malamang na tumagal ng maraming taon. Inaasahan ng kanyang grupo na makita ang gyroscope nito sa merkado sa loob ng dekada, upang simulan ang pagbibigay ng mas ligtas na mga protocol sa pag-navigate sa lupa, hangin, dagat, at maging sa espasyo. "Hindi ako sigurado na ang average na tao ay pinahahalagahan ang kabuuan," sabi ni Hansen. "Sa tingin ko hindi nila mapapansin ang pagbabago."

Kahit na ang quantum navigation ay hindi maaaring matalo ang katumpakan ng kasalukuyang mga tool, maaaring hindi ito kailangan, sa parehong paraan na ang de-latang pasta sa iyong buhawi kit ay hindi kailangan upang tikman mas mahusay kaysa sa handmade fettuccine. "Sa mga kondisyon sa real-world, kung makakakuha ako sa loob ng 200 metro ng kawastuhan ng GPS, iyon ay isang malaking tagumpay," sabi ni DiMario ng magnetometer. Inaasahan niya na kahit na may isang komersyal na bersyon ng kanyang aparato, ang mga sistema ng nabigasyon sa mga barko at eroplano ay pangunahin pa ring gumagamit ng GPS. Ang mga quantum sensors ay magsisilbing backup, ulan o umaaraw.


Higit pang mga Great WIRED Stories