Asger Risom
Hela den moderna världen förlitar sig på GPS, men satellitsignalerna är förvånansvärt svaga och lättstörda av elektronisk krigföring. För att lösa denna kritiska sårbarhet prototypar försvarssektorn ”kvantkompasser”. Genom att använda lasrar för att kyla atomer nära absoluta nollpunkten och mäta deras mikroskopiska vågförskjutningar under rörelse, skapar fysiker ett fristående, helt ostörbart navigationssystem som fungerar helt oberoende av satelliter.
Vi tar det globala positioneringssystemet (GPS) för givet. Du tar fram telefonen, skriver in en destination, och ett nätverk av satelliter som kretsar 19 000 kilometer ovanför jorden fastställer omedelbart din exakta position. Hela den moderna världen är beroende av detta osynliga nätverk. Det spårar våra lastfartyg, vägleder kommersiella flygplan och koordinerar globala banktransaktioner.
Det skrämmande problemet är att GPS är otroligt sårbart. Radiosignalen som strålar ner från rymden är förvånansvärt svag när den når ytan. Vem som helst med en billig, kommersiellt tillgänglig radiosändare kan enkelt störa den. I moderna konfliktområden förfalskar fientliga militärer regelbundet dessa signaler, genom att sända ut falska koordinater för att förvirra inkommande drönare eller skicka fartyg långt ur kurs.
För att åtgärda denna massiva sårbarhet försöker försvarssektorn något radikalt. I stället för att skjuta upp bättre satelliter bygger fysiker kvantkompasser. De skapar ett idiotsäkert, fristående navigationssystem som inte behöver titta mot himlen för att ta reda på exakt var det befinner sig.
Problemet med rymdbaserad navigering
För att förstå varför vi behöver ett kvantalternativ måste man titta på hur en standard-GPS faktiskt fungerar. Din telefon skickar inte en signal till rymden; den lyssnar bara. Den tar emot tidsstämplade radiopulser från flera satelliter och beräknar hur lång tid det tog för dessa pulser att anlända. Genom att triangulera skillnaden räknar den ut din position.
Eftersom systemet helt förlitar sig på extern kommunikation har det en uppenbar enskild felpunkt. Om du blockerar signalen blir systemet blint. För en civilist innebär en tappad signal att man missar en motorvägsavfart. För en militär operation innebär en avbruten GPS-anslutning att autonoma fordon kraschar, precisionsammunition missar sina mål och örlogsfartyg tappar orienteringen.
Försvarsindustrin insåg att de inte kunde vinna det elektroniska krigföringsslaget genom att bara förstärka satellitkraften. De behövde ett sätt för ett fordon att känna till sin egen position utan att någonsin kommunicera med omvärlden.
Navigering med kalla atomer
Lösningen låter som ren science fiction, men den bygger på grundläggande kvantmekanik. En traditionell kompass använder jordens magnetfält för att hitta norr. En kvantkompass använder ultrakalla atomer för att mäta fysisk acceleration.
Inuti en av dessa enheter finns en vakuumkammare som innehåller ett litet moln av atomer. Systemet avfyrar högkalibrerade lasrar mot dessa atomer för att bromsa ner dem, vilket sänker deras temperatur till bara en bråkdel av en grad över absoluta nollpunkten. Vid den extrema temperaturen börjar atomer bete sig konstigt. De agerar både som fasta partiklar och vågor.
Om fordonet som bär kompassen rör sig så lite som en millimeter, ändrar den fysiska accelerationen vågegenskaperna hos de frysande atomerna. Genom att kontinuerligt mäta dessa mikroskopiska kvantförändringar vet den inbyggda datorn exakt hur snabbt fordonet rör sig och i vilken riktning. Eftersom systemet är helt fristående inuti en förseglad låda finns det ingen radiosignal att hacka, störa eller förfalska. Det är matematiskt immunt mot elektronisk krigföring.
Krympande laboratorier
Fram till helt nyligen var denna teknik begränsad till massiva universitetsfysiklaboratorier. Utrustningen som krävdes för att kyla atomer till absoluta nollpunkten fyllde historiskt sett ett helt rum och krävde enorma mängder energi. Men en massiv ingenjörsinsats krymper för närvarande den hårdvaran till en utplacerbar storlek.
Som beskrivs i en nyligen publicerad färdplan från Lockheed Martin, prototypar försvarsentreprenörer aggressivt kvanttröghetsavkänning för att fungera som en robust baslinje för militära operationer. När GPS slås ut tar kvantsystemet omedelbart över och ger exakt precision i starkt omstridda miljöer.
Detta rör sig redan från teoretisk utveckling till aktiv fälttestning. I år demonstrerade kvantteknikföretaget Q-CTRL framgångsrikt ett GPS-fritt kvantnavigeringssystem på ett marint fartyg, vilket bevisar att hårdvaran kan motstå den hårda, kaotiska rörelsen på öppet hav.
Vi har tillbringat de senaste decennierna med att titta upp mot himlen för att ta reda på vart vi var på väg. Nu tittar framtidens navigering inåt, förlitande sig på en låda med frysande atomer för att hålla världen i rörelse.
