Quantennavigationstechnologie startet in neuem Testlauf

Im Vereinigten Königreich testete kürzlich ein Kurzstreckenflugzeug als erste fliegende Plattform empfindliche Quantentechnologien, die den Weg für eine Post-GPS-Welt ebnen könnten, in der die Satellitennavigation (ob GPS, BeiDou, Galileo oder andere) nachlässt. einzigartiger Ort als zuverlässiges Navigationstool. Die Frage ist nun, wie lange es dauern wird, bis dieses Quantum von morgen tatsächlich eintrifft.

Aber steht diese Technologie schon vor der Tür, wie ihre Befürworter vermuten? Oder muss die Welt bis in die 2030er Jahre oder darüber hinaus warten, wie Skeptiker behaupten? Wann immer sich die Technologie weiterentwickeln kann, werden die potenziellen zivilen Anwendungen erheblich sein.

„Die allererste oder sehr wertvolle Anwendung wird die autonome Schifffahrt sein“, sagt Max Perez, Vizepräsident für strategische Initiativen bei Infleqtion mit Sitz in Boulder, Colorado. „Wenn wir die Größe dieser Systeme reduzieren, werden sie in der Lage sein, auch andere Bereiche wie beispielsweise den autonomen Bergbau und andere industrielle Kontexte anzusprechen, in denen GPS beeinträchtigt sein könnte. Und schließlich wird die größte Anwendung weitverbreitete persönliche autonome Fahrzeuge sein, sei es zu Lande oder in der Luft.

Die große Idee, die Infleqtion und seine britischen Partner testen, ist, ob die extreme Empfindlichkeit, die Quantensensoren bieten können, den Kompromiss aller teuren Bausätze wert ist, die zur Miniaturisierung dieser Technologie erforderlich sind, damit sie in ein Flugzeug, ein Boot usw. passt Raumschiff, ein Auto, ein LKW oder ein Zug.

Umwandlung von Bose-Einstein-Kondensaten in Navigationswerkzeuge

Das Herzstück der Infleqtion-Technologie ist ein Aggregatzustand namens Bose-Einstein-Kondensat (BEC), der äußerst empfindlich auf Beschleunigung reagiert. Und wenn kein externes GPS-Signal vorhanden ist, ist ein Flugzeug, das in der Lage ist, jede seiner Drehungen und Beschleunigungen genau zu verfolgen, in der Lage, seine genaue Position im Verhältnis zu seiner letzten bekannten Position abzuleiten.

Wie Perez es beschreibt (das Unternehmen hat noch kein Papier über seine neueste bahnbrechende Errungenschaft veröffentlicht), nimmt das einigermaßen tragbare BEC-Gerät von Infleqtion 8 bis 10 Höheneinheiten Platz ein. (Eine Rack-Einheit entspricht einer Standard-Server-Rack-Breite von 48,3 Zentimetern und einer Standard-Server-Rack-Tiefe von 60 bis 100 cm.)

Die Wissenschaftler testeten in ihren Instrumenten empfindliche Bose-Einstein-Kondensate, die eines Tages als Grundlage für hochempfindliche Beschleunigungsmesser dienen könnten.Qinetiq

Im Mai flog das Unternehmen seine Plattform an Bord eines Technologie-Demonstrationsflugzeugs vom Typ British Aerospace 146 (BAe 146/Avro RJ100). Im Inneren der Plattform feuerte eine Reihe von Lasern eine kleine Wolke unterkühlter Rubidiumatome ab, um einen einzigartigen Quantenzustand zwischen den Atomen herzustellen. Das Ergebnis dieser kalten Atomfalle ist die Schaffung ultraempfindlicher Quantenbedingungen in der Ansammlung von Atomen, die dann eine Materiewolke bilden, die groß genug ist, um mit Standardlaborgeräten manipuliert zu werden.

Mithilfe des Quantenwelle-Teilchen-Dualismus, bei dem sich Materie sowohl wie winzige Billardkugeln als auch wie Wellenpakete verhält, können Ingenieure dann Laser und Magnetfelder verwenden, um die BEC-Wolke in zwei oder mehrere kohärente Materiewellenpakete aufzuteilen. Bei der anschließenden Rekombination werden die Interferenzmuster der mehreren Wellenpakete untersucht, um selbst kleinste Beschleunigungen – kleiner als diejenigen, die herkömmliche Beschleunigungsmesser messen könnten – an den Positionen der Wellenpakete im dreidimensionalen Raum zu entdecken.

Zumindest ist das die theoretische Idee.

Bedingungen in der realen Welt

In der Praxis sollte jeder BEC-basierte Beschleunigungsmesser mindestens die Empfindlichkeit bestehender herkömmlicher Beschleunigungsmessertechnologien erreichen.

„Die besten Trägheitssysteme der Welt, die auf Ringlaserkreiseln oder Glasfaserkreiseln basieren, können … während einer einwöchigen Mission eine Präzision von einer Seemeile aufrechterhalten“, sagt Perez. „Das ist die Norm.“

Perez fügt hinzu, dass die Infleqtion-Plattform nur einen prinzipiellen Beweis für die Erzeugung eines manipulierbaren BEC-Zustands in einer Rubidiumwolke erbracht hat, sodass für die Quantenbeschleunigungsmessertechnologie noch kein Eins-zu-Eins-Vergleich verfügbar ist. Allerdings geht er davon aus, dass Infleqtion in der Lage sein wird, die gleiche Seemeilengenauigkeit über einen Monat oder eine längere Missionsdauer aufrechtzuerhalten oder umgekehrt die Empfindlichkeit bei einer einwöchigen Mission bei etwa einer Zehntel Seemeile zu erhöhen.

Der potenzielle Anwendungsbereich dieser Technologie ist riesig, sagt Doug Finke, Content-Direktor beim New Yorker Marktforschungsunternehmen Global Quantum Intelligence.

„Quantennavigationsgeräte könnten zur Flaggschiffanwendung der Quantensensorik werden“, sagt Finke. „Allerdings gibt es noch viele Herausforderungen bei der Reduzierung von Kosten, Größe und Zuverlässigkeit. Aber wenn diese Technologie einen ähnlichen Weg wie das Computing einschlägt, von raumgroßen Großrechnern zu etwas, das in Ihre Tasche passt, könnte sie möglicherweise allgegenwärtig werden und später in diesem Jahrhundert vielleicht sogar GPS ersetzen.

Der Zeitpunkt einer solchen Erholung bleibt eine unbeantwortete Frage. „Das wird aufgrund der noch zu lösenden technischen Herausforderungen nicht sofort passieren“, sagt Finke. „Und es könnte noch viele Jahre dauern, bis die Technologie ausgereift ist.“

Dana Goward, Präsidentin der Resilient Navigation and Timing Foundation mit Sitz in Alexandria, Virginia, wagt sogar eine Prognose. „Es wird mindestens 10 bis 15 Jahre dauern, bis wir etwas sehen, das im großen Maßstab praktisch und anwendbar ist“, sagt er.

Perez sagt, dass Infleqtion bis 2026 die Zuverlässigkeit seiner aktuellen Beschleunigungsmessertechnologie testen wird, und zwar nicht nur durch die Implementierung eines BEC mitten im Flug, wie es im Mai der Fall war.„Es ist im Grunde ein Kompromiss zwischen der etwas schnelleren Veröffentlichung der Technologie und etwas Präziserem für anspruchsvollere Anwendungen“, sagt Perez.