Určování polohy pomocí atomů

V roce 2016 vypluje britská ponorka, která bude svou polohu určovat pomocí světa kvant (quantum world). Nový navigační systém by měl být při určování polohy tisíckrát přesnější než kterýkoliv jiný způsob. Pokud budou zkoušky úspěšné, mohl by se tento systém označovaný jako kvantové určování polohy (quantum positioning) zmenšit do té míry, aby mohl najít využití v letadlech, automobilech a dokonce i v mobilních telefonech. Stal by se tak záložním navigačním nástrojem pro určování polohy v betonových kaňonech měst, kde by mohla hrozit nebezpečná ztráta signálu GPS.

Protože GPS pod vodou nefunguje, používají ponorky pro svou navigaci akcelerometry, které zaznamenávají každý pohyb ponorky od posledního stanovení polohy. To však není přesné, protože odchylka po jednodenní plavbě a po vynoření na hladinu může být až 1 000 m. Kvantový akcelerometr může tuto odchylku snížit na pouhý jeden metr.

Vývojem kvantového akcelerometru se zabývá tým vedený Neil Stansfieldem z UK Defence Science and Technology Laboratory (DSTL) v Porton Down. Tým byl inspirován principem, že lasery mohou zadržet a ochladit (trap and cool) shluk atomů ve vakuu na teplotu blízkou absolutní nule. Poté, co se atomy ochladí, dostávají se do kvantového stavu, který se pomocí vnější síly snadno udržuje ve zmatku (je perturbován). Jiný laserový paprsek je potom sleduje. Tento paprsek zjišťuje jakékoliv změny způsobené perturbací, které jsou potom využity k výpočtu velikosti vnější síly. Velikost síly koresponduje s pohyby ponorky v moři.

Krabice od bot

Prototyp kvantového akcelerometru připomíná jeden metr dlouhou krabici od bot a bude odzkoušen na pevnině v září 2015. Nejprve se bude provozovat v jedné ose, později se dvěma sadami laserů a zadržovaných atomů tak, aby bylo možné sledovat pohyb ve třech dimenzích. Každý z laserů bude ochlazovat 1 milion atomů rubidia.

Po odzkoušení první generace kvantové navigace se vývoj zaměří na miniaturizaci nového zařízení i pro jiné aplikace, než jsou aplikace vojenské. Laboratoř DSTL však není jedinou institucí, která se zabývá vývojem kvantové navigace. Další týmy pracují v USA, Číně a v Austrálii. A proč až dnes? Před deseti, dvaceti lety se kvantová navigace nemohla uplatnit, protože k ochlazení atomů byl nutný velký kryogenní chladič.

Podle Paul Marks: Guided by atoms. New scientist, 2014, č. 2969, s. 19.