______________________________________
Военный космический самолет США, орбитальный испытательный аппарат X-37B, должен совершить свой восьмой полет в космос 21 августа 2025 года. Многое из того, что X-37B делает в космосе, засекречено. Но отчасти он служит платформой для передовых экспериментов.
Одним из таких экспериментов является потенциальная альтернатива GPS, которая использует квантовую науку в качестве инструмента навигации: квантовый инерциальный датчик.
Спутниковые системы, такие как GPS, повсеместно используются в нашей повседневной жизни, от карт со смартфонов до авиации и логистики. Но GPS доступен не везде. Эта технология может революционизировать способы навигации космических аппаратов, самолетов, кораблей и подводных лодок в условиях, когда GPS недоступен или скомпрометирован.
В космосе, особенно за пределами земной орбиты, сигналы GPS становятся ненадежными или просто пропадают. То же самое относится и к подводной жизни, где подводные лодки вообще не могут получить доступ к GPS. И даже на Земле сигналы GPS могут быть заглушены (заблокированы), подделаны (заставляя приемник GPS думать, что он находится в другом месте) или отключены – например, во время конфликта.
Это делает навигацию без GPS чрезвычайно сложной задачей. В таких случаях наличие навигационных систем, функционирующих независимо от каких-либо внешних сигналов, становится необходимым.
Традиционные инерциальные навигационные системы (INS), которые используют акселерометры и гироскопы для измерения ускорения и поворота транспортного средства, обеспечивают независимую навигацию, поскольку они могут определять местоположение, отслеживая движение транспортного средства с течением времени. Представьте, что вы сидите в машине с закрытыми глазами: вы все еще ощущаете повороты, остановки и ускорения, которые ваш мозг интегрирует, чтобы со временем определить, где вы находитесь.
Однако со временем, без визуальных подсказок, небольшие погрешности будут накапливаться, и вы полностью потеряете свое местоположение. То же самое относится и к классическим инерциальным навигационным системам: по мере накопления небольших погрешностей измерений они постепенно отклоняются от курса и нуждаются в корректировке с помощью GPS или других внешних сигналов.
Здесь помогает квантовая физика
Если вы подумаете о квантовой физике, то, возможно, вам на ум придет странный мир, в котором частицы ведут себя подобно волнам, а кот Шредингера одновременно и жив, и мертв. Эти мысленные эксперименты действительно описывают поведение крошечных частиц, таких как атомы.
При очень низких температурах атомы подчиняются правилам квантовой механики: они ведут себя подобно волнам и могут существовать в нескольких состояниях одновременно – два свойства, которые лежат в основе квантовых инерциальных датчиков.
Квантовый инерциальный датчик на борту X‑37B использует метод, называемый атомной интерферометрией, при котором атомы охлаждаются до температуры, близкой к абсолютному нулю, поэтому они ведут себя подобно волнам. С помощью тонко настроенных лазеров каждый атом расщепляется до так называемого суперпозиционного состояния, подобно коту Шредингера, так что он одновременно перемещается по двум путям, которые затем рекомбинируются.
Поскольку в квантовой механике атом ведет себя как волна, эти два пути интерферируют друг с другом, создавая узор, похожий на перекрывающуюся рябь на воде. В этом узоре закодирована подробная информация о том, как окружение атома повлияло на его движение. В частности, малейшие изменения в движении, такие как вращение датчика или ускорение, оставляют заметные следы на этих атомных “волнах”.
По сравнению с классическими инерциальными навигационными системами квантовые датчики обладают на порядок большей чувствительностью. Поскольку атомы идентичны и не меняются, в отличие от механических компонентов или электроники, они гораздо менее подвержены дрейфу или смещению. В результате обеспечивается длительная и высокоточная навигация без необходимости использования внешних ориентиров.Предстоящий полет X‑37B станет первым испытанием квантовой инерциальной навигации такого уровня в космосе. Предыдущие миссии, такие как Лаборатория холодного атома НАСА и MAIUS-1 Немецкого космического агентства, использовали атомные интерферометры на орбите или в суборбитальных полетах и успешно продемонстрировали физику, лежащую в основе атомной интерферометрии в космосе, хотя и не специально для целей навигации.
В отличие от этого, X‑37B experiment разработан как компактное, высокопроизводительное и устойчивое инерциальное навигационное устройство для длительных полетов в реальных условиях. Он выводит атомную интерферометрию из области чистой науки в сферу практического применения в аэрокосмической отрасли. Это большой скачок.
Это имеет важные последствия как для военных, так и для гражданских космических полетов. Для Космических сил США это является шагом на пути к повышению оперативной устойчивости, особенно в ситуациях, когда GPS может быть недоступна. Для будущих космических исследований, таких как полеты на Луну, Марс или даже в дальний космос, где автономность имеет ключевое значение, квантовая навигационная система могла бы служить не только надежной резервной, но и основной системой, когда сигналы с Земли недоступны.
Квантовая навигация - это лишь часть текущей, более широкой волны квантовых технологий, переходящих от лабораторных исследований к применению в реальном мире. В то время как квантовые вычисления и квантовая коммуникация часто попадают в заголовки газет, такие системы, как квантовые часы и квантовые датчики, вероятно, первыми получат широкое применение.
Такие страны, как США, Китай и Великобритания, вкладывают значительные средства в квантово-инерциальное зондирование, и недавние испытания в воздухе и на подводных лодках показали большие перспективы. В 2024 году Boeing и AOSense провели первое в мире испытание квантово-инерциальной навигации в полете на борту самолета с экипажем.
Это продемонстрировало непрерывную навигацию без использования GPS в течение примерно четырех часов. В том же году Великобритания провела первые публично признанные летные испытания квантовой навигации на коммерческом самолете.
Этим летом миссия X‑37B представит эти достижения в космосе. Из-за своего военного характера испытание может остаться секретным и не предаваться огласке. Но если оно пройдет успешно, его могут запомнить как момент, когда космическая навигация совершила качественный скачок вперед.
https://www.space.com/technology/us-space-f...h%20Subscribers... впала в глубокую задумчивость