«Квантовая» система позиционирования дополнит GPS
С 1567 года 1714 годы правительства европейских империй Испании, Нидерландов и Великобритании предлагали крупные денежные призы любому инженеру, который разработает практичный и точный метод измерения долготы корабля в открытом море. Эта проблема была исключительно важной: государства боролись за захват колониальных земель. И одно «маленькое» (по современным понятиям) изобретение могло резко изменить расклад сил. Спустя почти 200 лет мозгового штурма награда, наконец, нашла победителя: британский плотник и часовщик Джон Гаррисон изобрёл корабельный хронометр, который вычислял разницу между местным временем астрономического события (например, восхода или захода Солнца) и временем данного астрономического события на долготе одной из обсерваторий, например Гринвичской.Хотя с тех пор технологии продвинулись вперёд, но такие приборы, например, до сих пор выпускает Первый Московский часовой завод под маркой 8МХ.
В наше время для навигации удобнее использовать сигнал GPS/ГЛОНАСС, однако, в некоторых ситуациях это невозможно.Например, GPS-сигнал не принимается на подводной лодке или в мегаполисе с высокими зданиями. Современные акселерометры способны рассчитывать координаты долгое время после потери спутникового сигнала, но при этом накапливается погрешность. Так, при движении подводной лодки в течение 1 суток под водой погрешность достигает порядка 1 км. Группа учёных из Научно-технической лаборатории оборонных систем в Портоне (Великобритания) разработали устройство, которое сокращает погрешность всего до 1 метра, то есть в тысячу раз.
Квантовый акселерометр использует метод охлаждения и улавливания атомов с помощью лазерного луча, за открытие которого выдалиНобелевскую премию по физике в 1997 году. При температуре чуть выше абсолютного нуля атомы оказываются в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Подобное сингулярное квантовое состояние известно как конденсат Бозе — Эйнштейна. Атомы исключительно чувствительны к внешнему воздействию (например, движению подлодки), и изменение их состояния можно измерить другим лазером, что позволяет точно вычислить воздействие внешней силы.
Символично, что новую методику уточнения координат тоже изобрели англичане, хотя аналогичные исследования идут в США, Китае и Австралии. Наземные испытания квантового акселерометра запланированы на сентябрь 2015 года, а в 2016 году на воду спустят первую подлодку, оснащённую таким прибором. Сначала проверят работу акселерометра в одном измерении, а потом добавят ещё два. Для каждого из них используется примерно 1 млн атомов рубидия. Нужно ещё решить ряд проблем с фильтрацией гравитационных помех: для этого требуется составить очень качественные гравитационные карты местности.
Лазерное охлаждение позволяет делать миниатюрные контейнеры с охлаждёнными атомами, без массивных криогенных установок. По мере совершенствования технологии и уменьшения необходимой мощности лазера, подобные приборы начнут применять в смартфонах и автомобильных навигаторах, в том числе в беспилотных автомобилях. К сожалению, квантовые акселерометры наверняка используют также для изготовления нового оружия. Наверное, в будущем появятся ракеты, способные наводиться на цель с точностью до метра и сантиметра.
Научный офтопик Кстати, упомянутый в начале Приз за долготу, объявленный в Великобритании в 1714 году и присуждённый Джону Гаррисону, заново возродили в честь 300-летнего юбилея. Сегодня на телеканале BBC выйдет очередной выпуск научно-популярной передачи «Горизонт», в котором расскажут о шести важных проблемах, стоящих перед человечеством. Задачи специально подобраны так, что придумать решение может небольшой научный коллектив без особого финансирования. По результатам зрительского голосования выберут лучшую задачу, и за её решение победитель получит £10 млн. Наверное, это примерно соответствует тем £20 тыс., что получил Гаррисон.
