W niektórych przypadkach nie można lub nie można używać systemów nawigacji GPS. Mogą one zostać naruszone lub zablokowane z różnych powodów, a także pozostają czynnikiem ryzyka w działaniu autopilotów. Równoległy system nawigacji bez GPS mógłby rozwiązać problem, ale na razie takie systemy są wielkości pokoju. Naukowcy ze Stanów Zjednoczonych obiecują przezwyciężyć te ograniczenia i w najbliższej przyszłości stworzyć niedrogi, miniaturowy kompas „kwantowy”.
Nawigacja kwantowa opiera się na tzw. interferometrii atomowej. Cząstki zachowują się jak fale, a fale tej samej cząstki mogą nakładać się na siebie i różnić się fazą. Efekty przesunięcia fazowego i interferencji fal mierzone są za pomocą lasera. Na atomy działają siły, takie jak grawitacja, odczuwają przyspieszenie lub spowolnienie, moment pędu itp., które są mierzone z atomową precyzją – te same przesunięcia fazowe i interferencje. Przeniesienie tych danych do naszego świata pozwala nam skorelować pomiary ze wszystkimi niuansami ruchu urządzenia nawigacyjnego w pojeździe. Dzięki temu dokładność nawigacji jest tak wysoka, że może przekraczać możliwości GPS.
Do dokładnej nawigacji bez GPS potrzebnych jest sześć interferometrów atomowych, które określają ostateczne – dość duże – wymiary platformy. Naukowcom z Sandia National Labs udało się zaskoczyć, opracowując ultrakompaktowe chipy optyczne do zasilania kwantowych systemów nawigacji. Zastąpili ogromne systemy laserowe maleńkimi fotonicznymi układami scalonymi.
„Wykorzystując zasady mechaniki kwantowej, te zaawansowane czujniki zapewniają niezrównaną dokładność pomiaru przyspieszenia i prędkości kątowej, umożliwiając dokładną nawigację nawet w obszarach, gdzie GPS nie jest dostępny” – twierdzą twórcy.
Kluczowym elementem nowej generacji czujników jest modulator umożliwiający sterowanie i łączenie laserów o różnych długościach fal z jednego źródła. Eliminuje to konieczność łączenia poszczególnych laserów (czytaj: mnożenia wymiarów), ponieważ całą pracę może wykonać jeden laser, wykorzystując do tego układ modulatora.
Oprócz tego, że są znacznie bardziej kompaktowe, takie chipy są również bardziej odporne na wibracje i wstrząsy. Taka niezawodność pozwoli na zastosowanie czujników kwantowych w najtrudniejszych warunkach pracy, które mogą uszkodzić nowoczesne modele. Na porządku dziennym jest także czynnik kosztów. Jeden nowoczesny modulator laserowy z łatwością pokonuje barierę 10 tysięcy dolarów. Przeniesienie produkcji na płytki krzemowe zawierające setki lub więcej chipów na podłożach o średnicy 200 i 300 mm jest kluczem do obniżenia kosztów rozwiązań i zwiększenia ich dostępności.
Proponowane kompasy „kwantowe” mogą wykraczać daleko poza zakres nawigacji. Na przykład kwantowe detektory mas z łatwością radzą sobie z mapowaniem ukrytych podziemnych połączeń i struktur. Mogą być poszukiwane w komunikacji optycznej i obliczeniach kwantowych, w dalmierzach i nie tylko.
