«Квантовая» система позиционирования дополнит GPS

С 1567 года 1714 годы правительства 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 в мегаполисе с высокими зданиями.

Современные акселерометры способны рассчитывать координаты долгое время после потери спутникового сигнала, но при этом накапливается погрешность. Так, при движении в течение 1 суток без GPS 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 выдали Нобелевскую 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 очень чувствительны к внешнему воздействию (например, силе инерции), 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. Сначала проверят работу акселерометра в одном измерении, а потом добавят ещё два. Для каждого из них используется примерно 1 млн атомов рубидия.

Правда, нужно ещё решить проблему с фильтрацией гравитационных «помех». Поскольку невозможно отличить гравитационную силу от инертной, то требуется составить очень точные гравитационные карты местности, чтобы неожиданные всплески гравитационной силы не сбивали показания датчиков.

Гравитационная карта Земли

Лазерное охлаждение позволяет изготовлять относительно компактные контейнеры с охлаждёнными атомами, без массивных криогенных установок. По мере совершенствования технологии и уменьшения необходимой мощности лазера, подобные приборы начнут применять и в автомобильных навигаторах, в том числе в беспилотных автомобилях.