Tajná kosmická rovina X37-B pro testování kvantového navigačního systému-Vědci doufají, že jednoho dne nahradí GPS
Americký vojenský kosmický rovinu, orbitální vozidlo X-37B, se má pustit jeho osmý let do vesmíru 21. srpna 2025. Většina z toho, co X-37B dělá ve vesmíru, je tajné. Slouží však částečně jako platforma pro špičkové experimenty.
Jedním z těchto experimentů je potenciální alternativa k GPS, která využívá kvantovou vědu jako nástroj pro navigaci: kvantový inerciální senzor.
Satelitní systémy, jako je GPS, jsou v našem každodenním životě všudypřítomné, od map smartphonů po letectví a logistiku. Ale GPS není k dispozici všude. Tato technologie by mohla revolucionizovat, jak kosmická loď, letadla, lodě a ponorky navigují v prostředích, kde GPS není k dispozici nebo ohrožuje.
Ve vesmíru, zejména mimo orbitu Země, se signály GPS stávají nespolehlivé nebo jednoduše zmizí. Totéž platí pod vodou, kde ponorky nemohou vůbec získat přístup k GPS. A dokonce i na Zemi mohou být GPS signály zaseknutý (blokováno), spoofed (Vytváření přijímače GPS si myslí, že je na jiném místě) nebo deaktivován – například během konfliktu.
Díky tomu je navigace bez GPS kritická výzva. V takových scénářích je nezbytný mít navigační systémy, které fungují nezávisle na jakýchkoli externích signálech.
Tradiční inerciální navigační systémy (INS), které používají akcelerometry a gyroskopy k měření zrychlení a rotace vozidla, poskytují nezávislou navigaci, protože mohou odhadnout polohu sledováním toho, jak se vozidlo v průběhu času pohybuje. Pomyslete na to, že sedíte v autě se zavřenýma očima: Stále můžete cítit zatáčky, zastavení a zrychlení, které váš mozek integruje, aby hádal, kde jste v průběhu času.
Související: 10 věcí, které víme o tajné kosmické rovině X-37B
Nakonec se však bez vizuálních podnětů hromadí malé chyby a vy zcela ztratíte své umístění. Totéž platí s klasickými inerciálními navigačními systémy: Jak se hromadí malé chyby měření, postupně se unášejí mimo průběh a potřebují opravy GPS nebo jiných externích signálů.
Kde kvantum pomáhá
Pokud si myslíte Kvantová fyzikaTo, co vám může přijít na mysl, je podivný svět, kde se částice chovají jako vlny a Schrödingerova kočka je mrtvá i živá. Tyto myšlenkové experimenty skutečně popisují, jak se chovají malé částice jako atomy.
Při velmi nízkých teplotách atomy dodržují pravidla kvantové mechaniky: chovají se jako vlny a mohou existovat ve více státech současně – dvě vlastnosti, které leží v srdci kvantových inerciálních senzorů.
The na palubě kvantové inerciální senzor X – 37b používá techniku nazvanou Interferometrie atomukde jsou atomy ochlazeny na teplotu téměř absolutní nuly, takže se chovají jako vlny. Pomocí jemně doladěných laserů je každý atom rozdělen na to, co se nazývá superpoziční stav, podobně jako Schrödingerova kočka, takže současně cestuje po dvou cestách, které jsou poté rekombinovány.
Protože se atom chová jako vlna v kvantové mechanice, tyto dvě cesty navzájem narušují a vytvářejí vzorec podobný překrývajícím se vlnkám na vodě. Kódované v tomto vzoru jsou podrobné informace o tom, jak prostředí atomu ovlivnilo jeho cestu. Zejména nejmenší posuny v pohybu, jako jsou rotace senzoru nebo zrychlení, ponechávají detekovatelné značky na těchto atomových „vlnách“.
Ve srovnání s klasickými inerciálními navigačními systémy nabízejí kvantové senzory řády větší citlivosti. Protože atomy jsou identické a nemění se, na rozdíl od mechanických složek nebo elektroniky, jsou mnohem méně náchylné k driftu nebo zkreslení. Výsledkem je dlouhá doba a navigace s vysokou přesností bez potřeby externích odkazů.
Nadcházející mise X -37B bude poprvé, kdy je tato úroveň kvantové inerciální navigace testována ve vesmíru. Předchozí mise, například Laboratoř atomové laboratoře NASA a MAIUS-1 z německé vesmírné agenturybyly letěné atomové interferometry na oběžné nebo suborbitální lety a úspěšně prokázaly fyziku za atomovou interferometrií v prostoru, i když ne speciálně pro navigační účely.
Naproti tomu experiment X-37B je navržen jako kompaktní, vysoce výkonná a odolná inerciální navigační jednotka pro reálný svět, dlouhodobé mise. Posune atomovou interferometrii z říší čisté vědy a do praktické aplikace pro letectví. To je velký skok.
To má důležité důsledky pro vojenské i civilní kosmické lety. Pro americkou kosmickou sílu představuje krok k větší provozní odolnosti, zejména ve scénářích, kde by mohlo být GPS odepřeno. Pro budoucí průzkum vesmíru, jako je Měsíc, Mars nebo dokonce hluboký prostor, kde je klíčová autonomie, by kvantový navigační systém mohl sloužit nejen jako spolehlivá záloha, ale i jako primární systém, když signály ze Země nejsou k dispozici.
Kvantová navigace je jen jednou částí současné, širší vlny kvantových technologií přecházejících z laboratorního výzkumu do reálných aplikací. Zatímco kvantová výpočetní a kvantová komunikace často kradou titulky, systémy, jako jsou kvantové hodiny a kvantové senzory, budou pravděpodobně první, kdo uvidí rozšířené použití.
Země včetně USA, Čína A Spojené království výrazně investuje do kvantového setrvačného snímání, přičemž nedávné testy ve vzduchu a ponorky prokazují silný slib. V roce 2024 provedli Boeing a Aosense světový První za letu kvantového setrvačného navigačního testu Na palubě letadla posádky.
To prokázalo kontinuální navigaci bez GPS po dobu přibližně čtyř hodin. Ve stejném roce provedla Spojené království své první veřejně uznávané Test kvantového navigačního letu na komerčním letadle.
Letos v létě přinese mise X -37B tyto pokroky do vesmíru. Díky své vojenské povaze by test mohl zůstat tichý a ne publicizovaný. Ale pokud se to podaří, bylo by si to pamatovat, protože v okamžiku, kdy se vesmírná navigace kvantově skočila vpřed.
Tento upravený článek je znovu publikován Konverzace Podle licence Creative Commons. Přečtěte si Původní článek.
