Satelitní poziční systémy GPS, Galileo, GLONASS či BeiDou jsou neodmyslitelnou součástí našich životů. Používáme je při jízdě autem, při objednávání jídla nebo při ukládání polohy do fotografií. Jenže co když družicový signál selže?
Podle odhadů by výpadek GPS stál jen americkou ekonomiku přibližně miliardu dolarů denně. Jedním z řešení by mohla být kvantová navigace, která funguje úplně jinak. Představte si ponorky, které se pohybují v oceánu a nikdy nepotřebují vyplout na hladinu kvůli aktualizaci polohy, anebo letadla pohybující se s neochvějnou přesností napříč kontinenty.
Výhody kvantové navigace
Satelitní navigace má své slabiny. Signál může být rušen nebo falšován ať už kvůli válečným konfliktům (např. v konfliktních zónách na Blízkém východě a na Ukrajině), terorismu, anebo legitimním obavám o soukromí. K tomu se přidávají sluneční bouře, které v různých intervalech vyvrhují obrovské koule plazmy narušující signály satelitních pozičních systémů. V některých prostředích, jako jsou podzemní prostory nebo pod vodou, nefungují satelitní signály vůbec.
Kvantová navigace už podle svého názvu využívá hlubších principů kvantové fyziky, které popisují chování částic na úrovni menší než atom. Tyto částice vykazují fascinující efekty jako je superpozice (částice existující v několika stavech současně) a provázanost (částice propojené napříč prostorem a časem). Právě křehkost kvantových procesů umožňuje jejich využití coby mimořádně citlivých senzorů.
Experimentální podmořská kvantová navigace pomocí zařízení od Phasor Quantum.
Základní princip kvantové navigace spočívá v extrémně citlivých kvantových senzorech, které měří změny v gravitaci a magnetickém poli Země. Na rozdíl od satelitních pozičních systémů zde není nutné přijímat žádné signály ze satelitů – spoléhají na pevné fyzikální zákony, které jsou přítomny všude kolem nás.
Vědecký tým vedený profesorkou Allison Kealy ze Swinburnské technologické univerzity vyvíjí způsoby, jak pomocí kvantových senzorů měřit magnetické pole Země pro účely navigace. Používá kvantové efekty v diamantových magnetometrech, které využívají defekty v krystalové mřížce diamantu k detekci magnetického pole v reálném čase a porovnávají měření s existujícími mapami magnetického pole. Protože magnetické signály nejsou ovlivněny rušením a fungují i pod vodou, nabízejí slibnou alternativu k satelitní navigaci.
Vyšší přesnost a nemožnost rušení
Navigační systémy budoucnosti budou moci využívat kvantové senzory ke zpřesnění polohy (prostřednictvím magnetického a gravitačního pole Země), zlepšení orientace (pomocí kvantových gyroskopů) a přesnějšímu měření času (prostřednictvím malých atomových hodin). Tyto technologie doplní a v některých případech dokonce poskytnou alternativy k tradiční satelitní navigaci.
Prototyp kvantového navigačního čipu od Phasor Quantum
Kvantové akcelerometry jsou již nyní padesátkrát přesnější než klasické senzory. Francouzští vědci nedávno vyvinuli kvantový akcelerometr, který využívá lasery a ultra-chladné atomy rubidia k měření pohybu ve všech třech rozměrech s extrémní přesností. Zatímco poloha měřená klasickým akcelerometrem vykazovala po několika hodinách nepřesnost o kilometr, kvantový akcelerometr ji určil s přesností na 20 metrů. Je ale důležité dodat, že přesnost se liší v závislosti na délce měření a podmínkách prostředí.
Přestože je potenciál kvantové navigace zřejmý, její praktická realizace zatím zůstává otázkou vzdálené budoucnosti. Klíčové bude zmenšení velikosti a energetické náročnosti kvantových senzorů, zlepšení jejich stability mimo kontrolované laboratorní prostředí a jejich integrace do stávajících navigačních systémů, aby byly použitelné v reálných podmínkách.
Další překážkou jsou vysoké náklady – současné kvantové navigační systémy jsou drahé a složité, takže jejich masové rozšíření můžeme očekávat až za několik let. Pokud se však podaří tyto výzvy překonat, pak by kvantová navigace mohla nenápadným, ale zásadním způsobem přetvořit náš každodenní život.