Секретный космический аппарат ВКС США X-37B должен совершить свой восьмой полет в космос 21 августа 2025 года с целью испытаний системы квантовой связи в качестве альтернативы GPS.
Большинство испытаний, которые проводятся с использованием этого орбитального аппарата, засекречены. Однако одно из таких испытаний представляет собой проверку системы квантовой связи в качестве альтернативы GPS.
Спутниковая навигационная система GPS используется почти везде, в смартфонах, транспорте и логистике. Однако GPS далеко не везде работает одинаково эффективно. В космосе, особенно за пределами орбиты Земли, сигналы GPS становятся ненадежными или просто исчезают. То же самое происходит и под водой, где подводные лодки вообще не имеют доступа к GPS.
Даже на Земле сигналы GPS можно заглушить, исказить или заблокировать. Традиционные инерционные навигационные системы (ИНС), использующие акселерометры и гироскопы для измерения ускорения и вращения автомобиля, обеспечивают независимую навигацию, поскольку могут оценивать местоположение, отслеживая его движение со временем.
Однако со временем, без визуальных подсказок, небольшие ошибки будут накапливаться и такие инерционные навигационные системы будут терять ориентацию. По мере накопления небольших ошибок измерения они постепенно сбиваются с курса и требуют коррекции с помощью GPS или других внешних сигналов.
В условиях очень низких температур атомы подчиняются правилам квантовой механики и ведут себя как волны. Они могут существовать в состоянии суперпозиции, что составляет ключевые свойства, которые легли в основу квантовых инерционных датчиков
Квантовый инерционный датчик на борту X-37B использует метод атомной интерферометрии, при котором атомы охлаждаются до температуры, близкой к абсолютному нулю, так что они ведут себя подобно волнам. С помощью точно настроенных лазеров каждый атом разделяется на так называемое суперпозиционное состояние, подобное коту Шредингера, так что он одновременно движется по двум траекториям, которые затем рекомбинируются.
Поскольку в квантовой физике атом ведет себя подобно волне, эти две траектории движения интерферируют друг с другом, создавая узор, подобный кругам, накладывающимся друг на друга на воде. В этом узоре закодирована подробная информация о том, как окружающая среда атома повлияла на траекторию его движения. В частности, мелкие изменения в движении, такие как повороты датчика или ускорение, оставляют заметные следы на этих атомных «волнах».
По сравнению с классическими инерционными навигационными системами, квантовые датчики имеют гораздо более высокую чувствительность. Поскольку атомы идентичны и не изменяются, в отличие от механических или электронных компонентов, они гораздо меньше подвержены дрейфу или смещению. Результатом является длительная и высокоточная навигация без необходимости использования внешних источников.
Предстоящий запуск X-37B станет первым испытанием квантовой инерционной навигационной системы в космосе. Предыдущие миссии, в частности, Лаборатории холодных атомов NASA и MAIUS-1 Немецкого космического агентства, запускали атомные интерферометры на орбиту или в суборбитальные полеты и успешно демонстрировали физику, которая лежит в основе атомной интерферометрии в космосе.
Экспериментальный аппарат X-37B разработан как компактный, высокопроизводительный и надежный инерционный навигационный модуль для реальных длительных миссий. Он выводит атомную интерферометрию из области чистой науки в сферу практического применения в аэрокосмической отрасли.
Для Космических сил США это шаг к повышению оперативной устойчивости, особенно в ситуациях, когда GPS может выйти из строя. Для будущих космических исследований, таких как полёты на Луну, Марс или даже в дальний космос, где автономность имеет решающее значение, квантовая навигационная система может быть не только надежным резервным, но и основным средством в случае отсутствия сигналов с Земли.
Источник: The Conversation; LiveScience