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

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

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

Хотя это и не обычный набор, который можно было бы ожидать найти в вагонах линии District, это именно то снаряжение, которое Коттер, работающий в Центре холодной материи Имперского Колледжа Лондона, использует в своих подземных путешествиях.

Хотя 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, которые могут точно определять их местоположение независимо от того, где они находятся, что прокладывает путь к созданию нового поколения подземных и подводных датчиков.

Коттер и его команда обнаружили, что идеальным местом для его тестирования является лондонское метро. «Мы разрабатываем очень точные новые датчики с использованием квантовой механики, и они показывают большие перспективы в лабораторных условиях», — сказал он Observer на прошлой неделе. «Однако они менее точны в реальных условиях. Вот почему мы берем наше оборудование в лондонское метро. Это идеальное место для сглаживания острых углов и отладки нашего оборудования для работы в реальной жизни».

Идея квантового компаса заключается в том, чтобы обойти или дополнить текущие методы определения местоположения самолетов, автомобилей и других объектов. Обычно они полагаются на глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) — такие как GPS — которые стали решающими в транспортировке товаров и услуг по дорогам, морю и воздуху. Используя внешние сигналы, эти системы могут точно определять местоположение транспортных средств.

^{Квантовая навигационная система в метро в Лондоне. Фотография: Имперский Колледж Лондона}

Но устройства GNSS уязвимы к плохой погоде и помехам, не работают под водой или под землей, а их сигналы часто блокируются высокими зданиями и другими препятствиями. Цель проекта Имперского Колледжа, который был поддержан Фондом технологических миссий исследований и инноваций Великобритании и Национальной программой квантовых технологий Великобритании, заключается в создании 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 будут потеряны или заблокированы многоэтажными домами», — сказала доктор Айша Кошик, еще один член команды Имперского центра холодной материи. «Вы будете более уверены в том, где вы или ваше транспортное средство находитесь в определенное время».

В основе квантового компаса, который может быть готов к широкому использованию через несколько лет, лежит устройство, известное как акселерометр, которое может измерять, как скорость объекта изменяется с течением времени. Эта информация в сочетании с начальной точкой этого объекта позволяет вычислять его будущие положения. Мобильные телефоны и ноутбуки оснащены акселерометрами, но эти версии не могут сохранять свою точность в течение длительных периодов.

Однако квантовая механика предлагает ученым способ обеспечить новую точность и достоверность путем измерения свойств сверххолодных атомов. При чрезвычайно низких температурах атомы ведут себя «квантовым» образом. Они действуют как материя и как волны. «Когда атомы сверххолодные, мы можем использовать квантовую механику для описания того, как они движутся, и это позволяет нам проводить точные измерения, которые сообщают нам, как наше устройство меняет свое положение», — сказал Коттер.

В устройствах, которые перевозились на борту испытательных поездов лондонского метрополитена, а не в обычных пассажирских вагонах, рубидий помещается в вакуумную камеру, которая находится в самом сердце машины. Затем мощные лазеры используются для охлаждения этих атомов до доли градуса выше абсолютного нуля (−273,15 °C). В этих условиях волновые свойства атомов рубидия зависят от ускорения транспортного средства, перевозящего оборудование, и эти мельчайшие изменения можно точно измерить.

Было обнаружено, что система хорошо работает в стабильной лаборатории, но её необходимо протестировать в более экстремальных условиях, если её хотят превратить в транспортабельное автономное устройство, которое можно использовать в отдаленных или сложных местах, добавил Коттер.

Тоннели метрополитена идеально подходят для этой задачи, и лондонское метро выиграет от новых квантовых датчиков, которые устранят необходимость в сотнях миль кабелей, которые в настоящее время устанавливаются для отслеживания местоположения 540 поездов, проносящихся под столицей в часы пик.