Quantenphysiker haben einen neuen, sichereren Weg zur Navigation gefunden


Im Jahr 2015 die Die US Naval Academy entschied, dass die Absolventen in die Vergangenheit zurückkehren und lernen mussten, mit den Sternen zu navigieren. Vor neun Jahren hatte es die Himmelsnavigation von seinen Anforderungen genommen, weil GPS so genau und einfach zu bedienen war.

Die jüngsten Ereignisse hatten jedoch den Glauben der Akademie an GPS erschüttert. Die Forscher hatten das Navigationssystem einer Yacht übernommen, als sie im Mittelmeer gelenkt wurde. Ein Lastwagenfahrer in New Jersey war zu einer Geldstrafe von 32.000 Dollar verurteilt worden, weil er einen illegalen Signalstörer zu nahe an den Flughafen von Newark gefahren hatte und sein System behinderte. (Alles, was der Fahrer wollte, war, seinen Chef davon abzuhalten, ihn zu verfolgen.) Die Akademie rechnete damit aus, dass die Marineoffiziere einen Backup-Plan brauchten, der Polaris als Leitstern vertraute. Der Himmel konnte niemals gehackt werden.

Außer bei Wolken. "Was machen Sie, wenn Sie keine Sterne sehen können?" Sagt Ingenieur Michael DiMario von Lockheed Martin.

Er und sein Team könnten eine Lösung haben: Quantensensoren.

Das Quantenmagnetometer von Lockheed Martin enthält einen kleinen Diamantwürfel als Sensor.

Lockheed Martin

Seit fast fünf Jahren baut das Team von DiMario einen Prototyp: einen Zylinder mit einem Durchmesser von etwa einem Fuß und einem Durchmesser von sechs Zoll, der einen synthetischen Diamantwürfel enthält, der kaum größer ist als ein Salzkristall. Der Diamant enthält spezielle Verunreinigungen; In seinem sich wiederholenden kubischen Gitter aus Kohlenstoffatomen geht ab und zu ein Kohlenstoff verloren und sein Nachbar ist ein Stickstoffatom. Diese sogenannten Stickstoffleerstellen oder NV-Zentren verbinden sich zu einem molekülartigen Duo innerhalb des Diamanten, und sie stellen sich als hervorragende Magnetsensoren heraus.

Wenn ein grüner Laser den Diamanten beleuchtet, sendet das NV-Zentrum rotes Licht aus. Aufgrund der Effekte der Quantenmechanik gibt der Diamant je nach Magnetfeld mehr oder weniger Licht ab. Mit solchen Diamanten haben Forscher beispielsweise das Magnetfeld eines Neurons gemessen, das in einem Tintenfisch schießt.

Quantenmagnetometer erfassen das Magnetfeld der Erde, das hier von NOAA abgebildet wird, um zu navigieren.

Nationale ozeanische und atmosphärische Verwaltung

Für die Navigation verwendet DiMario den Diamanten, um bestimmte Wellen und Erhebungen im Magnetfeld der Erde zu erkennen, die als magnetische Anomalien bezeichnet werden und von der National Oceanic and Atmospheric Association zuvor kartiert wurden. Sobald er eine Anomalie identifiziert hat, kann er diese als Referenzpunkt für die Navigation verwenden. Derzeit verwenden Schiffe und Flugzeuge keine magnetischen Anomalien für die Navigation, da die meisten Magnetsensoren nur die Feldstärke messen können und nicht die Richtung, in die das Feld zeigt, sagt DiMario. Aber das Gerät seines Teams kann beides messen. Da er nicht mit einem Satelliten kommunizieren muss, um zu funktionieren, ist dieser Quantensensor weniger anfällig für Hackerangriffe.

Bisher haben DiMario und sein Team den Sensor für die Navigation eines Fluges, eines SUV in New Jersey und eines Schiffes in der Chesapeake Bay verwendet. Schließlich möchte DiMario den Zylinder auf die Größe eines Hockey-Pucks verkleinern, um ihn bei jeder Art von Transport als unabhängige GPS-Überprüfung zu verwenden.

DiMario und sein Team sind nicht die einzigen, die auf Quantennavigation setzen. In einem Labor des National Institute of Standards and Technology in Colorado arbeitet der Physiker Azure Hansen an einem Quantenkreisel zur Erfassung von Rotationsbewegungen. Piloten zum Beispiel verwenden derzeit eine Art Gyroskop, um ihre Flugzeuge auf einem Niveau zu halten, und selbstfahrende Autos benutzen sie zum Navigieren. Aber aktuelle Gyroskope driften, ähnlich wie eine schnelle Uhr mit der Zeit immer mehr falsch läuft. Die Drift ist groß genug, dass die Piloten ihre Gyroskope neu einstellen müssen, ein weitgehend automatisierter Prozess, etwa jede Stunde. Der automatische Reset funktioniert gut, es sei denn, er bricht ab. Quantenkreisel könnten zuverlässiger sein, weil sie überhaupt nicht driften, sagt Hansen: Ihre fundamentalen Komponenten sind Atome und verzahnen sich nicht mit der Zeit.

Das Gerät von Hansen passt auf eine Tischplatte, etwa so groß wie zwei gestapelte Minifridges. Darin befindet sich eine Glaskammer, die kleiner als ein Zuckerwürfel ist und acht Millionen Rubidiumatome enthält. Ein Laser steuert die Atome, die sich eher wie in einem Teich kollidierende Wellen verhalten als diskrete Teilchen. Die Kollisionen erzeugen ein Wellenmuster, das, wenn es abgebildet wird, wie ein Haufen Streifen aussieht. Wenn sich die Kammer dreht, drehen sich auch die Streifen. Die Anzahl der Streifen gibt den Grad der Drehung an. Variationen im Muster zeigen sogar die Stärke des Erdschwerefeldes. Zusammengenommen können diese Rotationsinformationen und die Messung des Erdfeldes auch als Navigationswerkzeug dienen, sagt Hansen. Wie das Diamant-Magnetometer kann es auch als Backup für GPS verwendet werden.

Das NIST-Gyroskop misst die Rotation, indem Rubidiumatome mit Lasern angestoßen werden, um ein markantes Streifenmuster auf einem Detektor zu erzeugen.

Nationales Institut für Standards und Technologie

Forscher untersuchen Quantensensoren auch für andere Arten von Messungen. Der NIST-Chemiker Jay Hendricks hat einen Drucksensor entwickelt, der grundlegende Eigenschaften von Heliumatomen verwendet, mit denen Flugzeugpiloten schließlich die Höhe messen können. Der Sensor strahlt einen Laser in eine mit Heliumgas gefüllte Metallkammer, die die Farbe des Lasers in Abhängigkeit vom Außendruck ändert. Sie haben eine Version dieses Geräts verwendet, um den nationalen Druckstandard zu erstellen, mit dem Luftfahrtunternehmen alle Drucksensoren kalibrieren. Boeing und Lockheed Martin haben beide Interesse an dem Gerät bekundet.

Die Produktionsprobleme sind jedoch für Quantennavigationsinstrumente von Bedeutung, und sobald sie marktreif sind, sind ihre idealen Verwendungen noch unklar. "Sie arbeiten, aber wir müssen sie immer noch sehr hart konstruieren", sagt der Physiker Pauli Kehayias vom Sandia National Laboratory. "Nur weil es ein Quantum ist, heißt das nicht, dass es besser ist."

Hansen räumt ein, dass das Schrumpfen und Perfektionieren dieser Geräte wahrscheinlich Jahre dauern wird. Ihre Gruppe hofft, dass ihr Gyroskop innerhalb des Jahrzehnts auf den Markt kommen wird, um sicherere Navigationsprotokolle zu Land, in der Luft, auf See und sogar im Weltraum bereitzustellen. "Ich bin nicht sicher, ob der Durchschnittsmensch die Quantität schätzen wird", sagt Hansen. "Ich glaube nicht, dass sie die Veränderung wirklich bemerken werden."

Obwohl die Quantennavigation die Präzision der aktuellen Werkzeuge möglicherweise nicht übertrifft, muss sie möglicherweise nicht so sein, wie die Dosen in Ihrem Tornado-Kit nicht besser schmecken müssen als handgemachte Fettuccine. „Unter realen Bedingungen wäre das ein riesiger Erfolg, wenn ich die GPS-Genauigkeit im Umkreis von 200 Metern erreichen kann“, sagt DiMario von seinem Magnetometer. Er geht davon aus, dass Navigationssysteme in Schiffen und Flugzeugen auch bei einer kommerziellen Version seines Geräts hauptsächlich GPS verwenden würden. Die Quantensensoren würden als Backup, Regen oder Sonnenschein dienen.


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