«Это идеальное место»: в Лондонском метро проходят испытания «квантового компаса», который может заменить GPS

Субатомный прибор сможет точно определять местоположения под землей и под водой, где спутниковые сигналы часто блокируются.

Доктор Джозеф Коттер берет с собой в поездки в лондонском метро несколько необычных предметов багажа. Среди них вакуумная камера из нержавеющей стали, несколько миллиардов атомов рубидия и множество лазеров, которые используются для охлаждения его оборудования до температуры чуть выше абсолютного нуля.

Хотя это и не обычный набор, который можно было бы ожидать увидеть в вагонах на линии Дистрикт, именно это снаряжение Коттер, работающий в Центре холодных материалов Имперского колледжа Лондона, использует в своих поездках под землей.

Хотя этот багаж может показаться странным, у него есть амбициозная цель. Он используется для разработки квантового компаса – инструмента, который будет использовать поведение субатомной материи для разработки устройств, способных точно определять свое местоположение независимо от того, где они расположены, прокладывая путь к созданию нового поколения подземных и подводных датчиков.

Коттер и его команда обнаружили, что идеальным местом для тестирования является лондонское метро. «Мы разрабатываем очень точные новые датчики, используя квантовую механику, и они демонстрируют большие перспективы в лабораторных условиях», — сказал он в интервью. «Однако в реальных условиях они менее точны. Именно поэтому мы перевозим наше оборудование в лондонское метро. Это идеальное место для сглаживания острых углов и обеспечения работы нашего оборудования в реальных условиях».

Идея квантового компаса заключается в том, чтобы обойти или дополнить существующие методы точного определения местоположения самолетов, автомобилей и других объектов. Как правило, они основаны на глобальных навигационных спутниковых системах (GNSS), таких как GPS, которые стали играть решающую роль в транспортировке товаров и услуг автомобильным, морским и воздушным транспортом. Используя внешние сигналы, эти системы могут точно определять местоположение транспортных средств.

Но устройства ГНСС уязвимы к плохим погодным условиям и помехам и не работают под водой или под землей, а их сигналы часто блокируются высокими зданиями и другими препятствиями. Целью проекта Имперского колледжа, который был поддержан Британским фондом исследований и инноваций Technology Missions Fund и Национальной программой квантовых технологий Великобритании, является создание устройства, которое не только точно определяет свое местоположение, но и не зависит от приема внешних сигналов.

«Тогда вам не придется беспокоиться о том, что сигналы могут быть потеряны или заблокированы многоэтажками», — говорит доктор Айша Каушик, еще один сотрудник Имперского центра по изучению холодных веществ. «Вы будете с большей уверенностью знать, где вы или ваш автомобиль находитесь в определенный момент времени».

В основе квантового компаса, который может быть готов к широкому использованию через несколько лет, лежит устройство, известное как акселерометр, которое может измерять изменение скорости объекта с течением времени. Эта информация в сочетании с начальной точкой этого объекта позволяет рассчитать его будущее местоположение. Мобильные телефоны и ноутбуки оснащены акселерометрами, но эти версии не могут сохранять свою точность в течение длительного времени.

Однако квантовая механика предлагает ученым способ повысить точность измерений, измеряя свойства переохлажденных атомов. При экстремально низких температурах атомы ведут себя «квантовым» образом. Они действуют как материя и как волны. «Когда атомы очень холодные, мы можем использовать квантовую механику для описания того, как они движутся, и это позволяет нам проводить точные измерения, которые говорят нам о том, как наше устройство меняет свое положение», — сказал Коттер.

В устройствах, которые были установлены в поездах лондонского метрополитена для тестирования путей, а не в пригородных поездах, рубидий помещен в вакуумную камеру, которая находится в центре устройства. Затем используются мощные лазеры для охлаждения этих атомов до температуры на долю градуса выше абсолютного нуля (-273,15°C). В этих условиях волновые свойства атомов рубидия зависят от ускорения транспортного средства, перевозящего оборудование, и эти незначительные изменения могут быть точно измерены.

Было установлено, что система хорошо работает в стабильных лабораторных условиях, но ее необходимо протестировать в более экстремальных условиях, если мы хотим превратить ее в портативное автономное устройство, которое можно использовать в удаленных или сложных местах, добавил Коттер.

Туннели метро идеально подходят для решения этой задачи, и Лондонский метрополитен выиграет от новых квантовых датчиков, которые устранят необходимость в сотнях миль кабелей, проложенных в настоящее время для отслеживания местоположения 540 поездов, курсирующих под столицей в часы пик.

Похожие записи:

Великобритания построит новый спутник для мониторинга климатического кризиса и стихийных бедствий «Адитья-L1»: Индийская солнечная миссия достигает солнечной орбиты Исследование показало, что биологические изменения в мозге могут помочь забыть бывшего Миссия корабля «Одиссей» на Луну будет прервана после боковой посадки Телескоп «Евклид» обнаружил блуждающие планеты, свободно плавающие в Млечном Пути