Ką slaptas JAV kariuomenės dronas veiks kosmose?

Vienas iš šių eksperimentų yra potenciali alternatyva GPS, kuri naudoja kvantinį mokslą kaip navigacijos priemonę: kvantinis inercinis jutiklis.

Palydovinės sistemos, tokios kaip GPS, yra visur mūsų kasdieniame gyvenime, nuo išmaniųjų telefonų žemėlapių iki aviacijos ir logistikos. Tačiau GPS nėra prieinama visur. Ši technologija galėtų pakeisti kosminių laivų, lėktuvų, laivų ir povandeninių laivų navigaciją aplinkose, kuriose GPS yra neprieinama arba neveikia.

Kosmose, ypač už Žemės orbitos, GPS signalai tampa nepatikimi arba tiesiog išnyksta. Tas pats pasakytina ir apie povandeninę erdvę, kur povandeniniai laivai visiškai negali naudotis GPS. Net ir Žemėje GPS signalai gali būti trikdomi (blokuojami), klastojami (GPS imtuvas mano, kad jis yra kitoje vietoje) arba išjungiami, pavyzdžiui, konflikto metu.

Dėl to navigacija be GPS tampa kritiniu iššūkiu. Tokiais atvejais būtina turėti navigacijos sistemas, kurios veikia nepriklausomai nuo išorinių signalų.

Tradicinės inercinės navigacijos sistemos (INS), kurios naudoja akselerometrus ir giroskopus transporto priemonės pagreičiui ir sukimuisi matuoti, užtikrina nepriklausomą navigaciją, nes jos gali apskaičiuoti padėtį stebėdamos, kaip transporto priemonė juda laikui bėgant. Įsivaizduokite, kad sėdite automobilyje užsimerkę: vis tiek jaučiate posūkius, stabdymus ir pagreičius, kuriuos jūsų smegenys integruoja, kad nustatytų, kur esate laikui bėgant.

Tačiau galiausiai, be vizualių orientyrų, susikaups nedidelės paklaidos ir jūs visiškai prarasite savo padėtį. Tas pats pasakytina ir apie klasikinės inercinės navigacijos sistemas: susikaupus nedidelėms matavimo paklaidoms, jos palaipsniui nukrypsta nuo kurso ir reikia jas koreguoti naudojant GPS ar kitus išorinius signalus.

Kur kvantinė fizika padeda

Kalbant apie kvantinę fiziką, galvoje gali kilti keistas pasaulis, kuriame dalelės elgiasi kaip bangos, o Schrödingerio katė yra ir gyva, ir negyva. Šie mintiniai eksperimentai tikrai apibūdina, kaip elgiasi mažos dalelės, pavyzdžiui, atomai.

Esant labai žemai temperatūrai, atomai paklūsta kvantinės mechanikos dėsniams: jie elgiasi kaip bangos ir gali egzistuoti keliose būsenose vienu metu – tai dvi savybės, kurios yra kvantinių inercinių jutiklių pagrindas.

X-37B kvantinis inercinis jutiklis naudoja techniką, vadinamą atomų interferometrija, kai atomai atšaldomi iki beveik absoliučios nulinės temperatūros, kad elgtųsi kaip bangos. Naudojant tiksliai sureguliuotus lazerius, kiekvienas atomas suskaidomas į vadinamąją superpozicijos būseną, panašią į Schrödingero katę, kad jis vienu metu keliautų dviem keliais, kurie vėliau vėl sujungiami. Kadangi kvantinėje mechanikoje atomas elgiasi kaip banga, šie du keliai trukdo vienas kitam, sukurdami modelį, panašų į persidengiančias bangas vandenyje. Šiame modelyje užkoduota išsami informacija apie tai, kaip atomo aplinka paveikė jo kelionę. Ypač mažiausi judesio pokyčiai, tokie kaip jutiklių sukimasis ar pagreitis, palieka aptinkamus pėdsakus ant šių atominių „bangų“.

Palyginti su klasikinėmis inercinėmis navigacijos sistemomis, kvantiniai jutikliai pasižymi daug didesniu jautrumu. Kadangi atomai yra identiški ir nesikeičia, skirtingai nei mechaniniai komponentai ar elektronika, jie yra kur kas mažiau linkę nukrypti ar iškraipyti. Tai užtikrina ilgalaikę ir labai tikslią navigaciją be išorinių atskaitos taškų.

Būsima X-37B misija bus pirmoji, kurioje šis kvantinės inercinės navigacijos lygis bus išbandytas kosmose. Ankstesnėse misijose, pavyzdžiui, NASA „Cold Atom Laboratory“ ir Vokietijos kosmoso agentūros „MAIUS-1“, atomų interferometrai buvo skraidinami orbitoje arba suborbitiniais skrydžiais ir sėkmingai pademonstravo atomų interferometrijos fiziką kosmose, nors ir ne specialiai navigacijos tikslais.

Priešingai, X-37B eksperimentas yra suprojektuotas kaip kompaktiškas, aukštos kokybės, atsparus inercinis navigacijos įrenginys, skirtas realioms, ilgalaikėms misijoms. Jis perkelia atomų interferometriją iš grynųjų mokslų srities į praktinį pritaikymą aeronautikoje. Tai yra didelis šuolis.

Tai turi svarbių pasekmių tiek kariniams, tiek civiliniams kosminiams skrydžiams. JAV kosminėms pajėgoms tai reiškia žingsnį link didesnio operacinio atsparumo, ypač scenarijuose, kur GPS gali būti nepasiekiamas. Ateities kosminėms ekspedicijoms, pavyzdžiui, į Mėnulį, Marsą ar net giluminę kosmoso erdvę, kur autonomija yra labai svarbi, kvantinė navigacijos sistema galėtų būti ne tik patikima atsarginė, bet ir pagrindinė sistema, kai signalai iš Žemės yra nepasiekiami.

Kvantinė navigacija yra tik viena iš daugelio kvantinių technologijų, kurios iš laboratorinių tyrimų pereina į realaus pasaulio taikymus. Nors kvantiniai kompiuteriai ir kvantinė komunikacija dažnai atsiduria antraštėse, tikėtina, kad pirmiausia plačiai paplis tokios sistemos kaip kvantiniai laikrodžiai ir kvantiniai jutikliai.

Šalys, tarp jų JAV, Kinija ir Jungtinė Karalystė, daug investuoja į kvantinius inercinius jutiklius, o neseniai atlikti bandymai ore ir povandeniniuose laivuose rodo didelius perspektyvus. 2024 m. „Boeing“ ir „AOSense“ atliko pirmąjį pasaulyje kvantinės inercinės navigacijos bandymą skrydžio metu su įgula.

Tai parodė, kad be GPS navigacija gali veikti nepertraukiamai maždaug keturias valandas. Tais pačiais metais Jungtinė Karalystė atliko pirmąjį viešai pripažintą kvantinės navigacijos bandomąjį skrydį komerciniu lėktuvu.

Šią vasarą misija X‑37B šiuos pasiekimus perkels į kosmosą. Dėl savo karinio pobūdžio bandymas gali likti nepastebimas ir neskelbiamas. Tačiau jei jis bus sėkmingas, jis gali būti prisimintas kaip momentas, kai kosminė navigacija padarė milžinišką šuolį į priekį.