Секретний космічний літак X37-B випробував квантову альтернативу GPS

Секретний космічний апарат ВКС США X-37B має здійснити свій восьмий політ у космос 21 серпня 2025 року з метою випробувань системи квантового зв’язку у якості альтернативи GPS.

Більшість випробувань, які проводяться із використанням цього орбітального апарату, засекречені. Однак одне з таких випробувань являє собою перевірку системи квантового зв’язку у якості альтернативи GPS.

Супутникова навігаційна система GPS використовується майже крізь, у смартфонах, транспорті та логістиці. Однак GPS далеко не всюди працює однаково ефективно. У космосі, особливо за межами орбіти Землі, сигнали GPS стають ненадійними або просто зникають. Те саме відбувається і під водою, де підводні човни взагалі не мають доступу до GPS.

Навіть на Землі сигнали GPS можна заглушити, спотворити або заблокувати. Традиційні інерційні навігаційні системи (ІНС), що використовують акселерометри та гіроскопи для вимірювання прискорення та обертання автомобіля, забезпечують незалежну навігацію, оскільки можуть оцінювати місцезнаходження, відстежуючи його рух з часом.

Однак згодом, без візуальних підказок, невеликі помилки накопичуватимуться і такі інерційні навігаційні системи втрачатимуть орієнтацію. У міру накопичення невеликих помилок вимірювання вони поступово збиваються з курсу та вимагають корекції за допомогою GPS або інших зовнішніх сигналів. 

В умовах дуже низьких температур атоми підкоряються правилам квантової механіки і ведуть себе як хвилі. Вони можуть існувати у стані суперпозиції, що складає ключові властивості, які лягли в основу квантових інерційних датчиків. 

Квантовий інерційний датчик на борту X-37B використовує метод атомної інтерферометрії, при якому атоми охолоджуються до температури, близької до абсолютного нуля, так що вони поводяться подібно до хвиль. За допомогою точно налаштованих лазерів кожен атом поділяється на так званий суперпозиційний стан, подібний до кота Шредінгера, так що він одночасно рухається по двох траєкторіях, які потім рекомбінуються. 

Оскільки у квантовій фізиці атом поводиться подібно до хвилі, ці дві траєкторії руху інтерферують одна з одною, створюючи візерунок, подібний до кіл, що накладаються одне на одне на воді. У цьому візерунку закодована докладна інформація про те, як навколишнє середовище атому вплинуло на траєкторію його руху. Зокрема, дрібні зміни у русі, такі як повороти датчика чи прискорення, залишають помітні сліди на цих атомних “хвилях”. 

Порівняно із класичними інерційними навігаційними системами, квантові датчики мають набагато вищу чутливість. Оскільки атоми ідентичні і не змінюються, на відміну від механічних або електронних компонентів, вони набагато менше схильні до дрейфу або зміщення. Результатом є тривала та високоточна навігація без необхідності використання зовнішніх джерел.

Майбутній запуск X-37B стане першим випробуванням квантової інерційної навігаційної системи у космосі. Попередні місії, зокрема, Лабораторії холодних атомів NASA та MAIUS-1 Німецького космічного агентства, запускали атомні інтерферометри на орбіту або у суборбітальні польоти та успішно демонстрували фізику, яка лежить в основі атомної інтерферометрії у космосі. 

Експериментальний апарат X‑37B розроблений як компактний, високопродуктивний та надійний інерційний навігаційний модуль для реальних тривалих місій. Він виводить атомну інтерферометрію з галузі чистої науки в сферу практичного застосування в аерокосмічній галузі.

Для Космічних сил США це крок до підвищення оперативної стійкості, особливо у ситуаціях, коли GPS може вийти з ладу. Для майбутніх космічних досліджень, таких як польоти на Місяць, Марс або навіть у далекий космос, де автономність має вирішальне значення, квантова навігаційна система може бути не тільки надійним резервним, а й основним засобом у разі відсутності сигналів із Землі.

Джерело: The Conversation; LiveScience