Американський військовий космічний літак, орбітальний випробувальний апарат X-37B, готується до свого восьмого польоту в космос, що заплановано на 21 серпня 2025 року. Більша частина місій X-37B оповита таємницею, але відомо, що він слугує платформою для передових експериментів. Цей безпілотний, багаторазовий космічний літак, розміром зі шкільний автобус, здатен перебувати на орбіті місяцями або навіть роками, виконуючи завдання, що залишаються засекреченими.
Один із таких експериментів на борту – це потенційна альтернатива глобальній системі позиціонування GPS, яка використовує принципи квантової механіки для навігації. Йдеться про квантовий інерційний сенсор.
Навігаційні виклики та обмеження GPS
Супутникові системи, такі як GPS, що належить уряду США і є найпоширенішою глобальною навігаційною системою, стали невіддільною частиною нашого повсякденного життя – від мап у смартфонах до авіації та логістики. Проте GPS доступний не скрізь. Ця нова технологія може революціонізувати навігацію космічних апаратів, літаків, кораблів та підводних човнів у середовищах, де сигнали GPS недоступні або скомпрометовані.
У космічному просторі, особливо за межами орбіти Землі, сигнали GPS стають ненадійними або просто зникають. Те саме стосується й підводного середовища, де субмарини взагалі не мають доступу до GPS. Навіть на Землі сигнали GPS можуть бути заглушені (заблоковані), імітовані (коли приймач GPS думає, що він перебуває в іншому місці) або вимкнені, наприклад, під час конфлікту.
Це робить навігацію без GPS надзвичайно важливим завданням. У таких випадках незамінними стають навігаційні системи, що функціонують незалежно від будь-яких зовнішніх сигналів. Традиційні інерційні навігаційні системи (ІНС), які використовують акселерометри та гіроскопи для вимірювання прискорення та обертання транспортного засобу, забезпечують незалежну навігацію. Вони можуть оцінювати положення, відстежуючи рух об’єкта з часом. Уявіть, що ви сидите в автомобілі із заплющеними очима: ви все ще відчуваєте повороти, зупинки та прискорення, і ваш мозок інтегрує ці дані, щоб приблизно визначити, де ви знаходитесь.
Проте, без візуальних орієнтирів, навіть найменші похибки накопичуються, і ви повністю втрачаєте орієнтацію. Те саме відбувається з класичними інерційними навігаційними системами: невеликі помилки вимірювань поступово накопичуються, змушуючи їх збиватися з курсу, і вони потребують корекції від GPS або інших зовнішніх сигналів.
Де допомагає квантова фізика
Коли мова заходить про квантову фізику, на думку може спасти дивний світ, де частинки поводяться як хвилі, а кіт Шредінгера одночасно мертвий і живий. Ці уявні експерименти дійсно описують, як поводяться найдрібніші частинки, такі як атоми. Квантова фізика – це фундаментальний розділ фізики, що вивчає поведінку матерії та енергії на атомному та субатомному рівнях, де звичні закони класичної механіки перестають діяти.
За дуже низьких температур атоми підкоряються правилам квантової механіки: вони поводяться як хвилі й можуть існувати в кількох станах одночасно — ці дві властивості лежать в основі квантових інерційних сенсорів.
Квантовий інерційний сенсор на борту X-37B використовує метод, який називається атомною інтерферометрією. У ньому атоми охолоджуються до температури, близької до абсолютного нуля, тому вони поводяться як хвилі. За допомогою точно налаштованих лазерів кожен атом розщеплюється на так званий стан суперпозиції, подібно до кота Шредінгера, так що він одночасно рухається двома шляхами, які потім знову об’єднуються.
Оскільки атом у квантовій механіці поводиться як хвиля, ці два шляхи взаємодіють один з одним, створюючи візерунок, схожий на накладення хвиль на воді. У цьому візерунку закодована детальна інформація про те, як оточення атома вплинуло на його подорож. Зокрема, найменші зміни в русі, такі як обертання сенсора або прискорення, залишають помітні сліди на цих атомних «хвилях».
Порівняно з класичними інерційними навігаційними системами, квантові сенсори пропонують на порядки вищу чутливість. Оскільки атоми ідентичні та не змінюються, на відміну від механічних компонентів або електроніки, вони значно менш схильні до зсувів або похибок. Результатом є висока точність навігації протягом тривалого часу без необхідності зовнішніх посилань.
Майбутня місія X-37B стане першим випробуванням такого рівня квантової інерційної навігації у космосі. Попередні місії, такі як Лабораторія холодних атомів (CAL) NASA – розташована на Міжнародній космічній станції (МКС) і призначена для вивчення ультрахолодних атомів, та німецька MAIUS-1 від Німецького аерокосмічного центру (DLR), яка стала першою, що створила конденсат Бозе-Ейнштейна в космосі, вже запускали атомні інтерферометри на орбіту або в суборбітальні польоти. Вони успішно продемонстрували фізичні принципи атомної інтерферометрії в космосі, хоча й не конкретно для навігаційних цілей.
На відміну від них, експеримент на X-37B розроблений як компактний, високопродуктивний, стійкий інерційний навігаційний блок для реальних, тривалих місій. Це виводить атомну інтерферометрію за межі чистої науки у сферу практичного застосування в аерокосмічній галузі. Це значний поступ.
Перспективи та застосування
Це має важливі наслідки як для військових, так і для цивільних космічних польотів. Для Космічних сил США – нового роду збройних сил, створеного у 2019 році для забезпечення домінування в космічному просторі, це означає крок до більшої оперативної стійкості, особливо в сценаріях, де доступ до GPS може бути обмежений. Для майбутньої космічної розвідки, наприклад, на Місяць, Марс або навіть у далекий космос, де автономність має надважливе значення, квантова навігаційна система може слугувати не лише надійним резервом, але й першорядним засобом навігації, коли сигнали із Землі недоступні.
Квантова навігація – це лише одна частина сучасної, ширшої хвилі квантових технологій, що переходять від лабораторних досліджень до реального застосування. Хоча квантові обчислення та квантовий зв’язок часто привертають головну увагу, такі системи, як квантові годинники та квантові сенсори, ймовірно, стануть першими, хто отримає широке застосування.
Країни, включаючи США, Китай та Велику Британію, активно інвестують у квантові інерційні сенсори, а нещодавні повітряні та підводні випробування демонструють великі перспективи. У 2024 році аерокосмічна компанія Boeing, один із найбільших світових виробників авіаційної та космічної техніки, та AOSense провели перший у світі льотний тест квантової інерційної навігації на пілотованому літаку.
Це продемонструвало безперервну навігацію без GPS протягом приблизно чотирьох годин. Того ж року Велика Британія провела свій перший публічно визнаний льотний тест квантової навігації на комерційному літаку.
Цього літа місія X-37B перенесе ці досягнення в космос. Через її військовий характер тест може залишатися тихою і непублічною подією. Але якщо він увінчається успіхом, його можна буде запам’ятати як момент, коли космічна навігація зробила квантовий стрибок вперед.
