تصور کنید که زیردریایی‌هایی در اعماق اقیانوس حرکت می‌کنند بدون اینکه نیاز به صعود برای تعیین موقعیت داشته باشند.
هواپیماهایی که با دقت بی‌نظیر در سراسر قاره‌ها پرواز می‌کنند، بدون تأثیرپذیری از اختلالات سیگنالی.
نیروهای امدادی که می‌توانند در ساختمان‌های پر از دود یا تونل‌های زیرزمینی با دقت بالا مسیریابی کنند، در حالی که خودروهای خودران با دقت کامل مسیر خود را در شهرهای پرتراکم می‌یابند.
این سناریوها شاید شبیه به داستان‌های علمی‌تخیلی به نظر برسند، اما با رویکردی نوظهور به نام ناوبری کوانتومی ممکن خواهند شد.
این فناوری انقلابی روزی تعریف ما از حرکت، کاوش و ارتباطات را دگرگون خواهد کرد – اما این فناوری چیست؟
ماهواره‌ها در قلب ناوبری امروز
سامانه‌های موقعیت‌یابی جهانی (GNSS) مانند GPS بخش جدایی‌ناپذیری از جامعه مدرن هستند. ما هر روز برای مسیریابی، سفارش غذا و حتی برچسب‌گذاری مکان عکس‌ها از آنها استفاده می‌کنیم. اما نقش این سامانه‌ها بسیار فراتر از راحتی است.
سیگنال‌های زمانی ارسال‌شده از ماهواره‌ها در مدار زمین برای تأیید معاملات بازار سهام و حفظ تعادل شبکه‌های برق حیاتی هستند. در کشاورزی، GPS تراکتورهای خودران را هدایت می‌کند و به جابجایی دام‌ها کمک می‌کند.
خدمات اضطراری به این سامانه‌ها وابسته هستند تا زمان رسیدن به افراد نیازمند را کاهش دهند.
اما این سیستم‌ها دارای نقاط ضعف جدی نیز هستند. سیگنال‌های ماهواره‌ای قابل اختلال یا مسدود شدن هستند، چه در اثر جنگ، حملات سایبری یا حتی برای ملاحظات قانونی و غیرقانونی مربوط به حریم خصوصی.
نقشه‌هایی مانند GPSJAM نقاط تداخل سیگنال در زمان واقعی را نشان می‌دهند – از جمله در خاورمیانه، مناطق اطراف روسیه و اوکراین، و میانمار.
علاوه بر این، فضای اطراف زمین ثابت نیست. خورشید مرتباً توده‌های بزرگی از پلاسمای باردار را به بیرون پرتاب می‌کند که منجر به طوفان‌های خورشیدی می‌شود. این طوفان‌ها می‌توانند سیگنال‌های ماهواره‌ای را مختل کرده یا حتی آسیب جدی به آنها وارد کنند.
اختلال در سامانه‌های ناوبری جهانی بیش از یک مزاحمت ساده است – این اختلال می‌تواند زیرساخت‌های حیاتی را دچار مشکل کند.
برآوردها نشان می‌دهند که فقط در ایالات متحده، قطع GPS می‌تواند روزانه حدود ۱ میلیارد دلار خسارت اقتصادی ایجاد کند و موجب اختلالات گسترده در سامانه‌های به‌هم‌پیوسته شود.
ناوبری کوانتومی به کمک می‌آید
در برخی محیط‌ها، سیگنال‌های ماهواره‌ای به‌درستی عمل نمی‌کنند – مانند زیر آب یا در فضاهای زیرزمینی.
اگر تا به حال تلاش کرده‌اید از Google Maps در شهری با آسمان‌خراش‌های بلند استفاده کنید، احتمالاً متوجه شده‌اید که دقت آن کاهش می‌یابد. ساختمان‌های مرتفع باعث انعکاس سیگنال‌ها شده و دقت مسیریابی را کاهش می‌دهند.
در اینجا است که ناوبری کوانتومی می‌تواند راه‌حل باشد.
فیزیک کوانتومی رفتار ذرات را در مقیاس‌های بسیار کوچک (کوچک‌تر از اتم) توصیف می‌کند. این حوزه مفاهیمی شگفت‌انگیز مانند برهم‌نهی کوانتومی (وجود همزمان یک ذره در چندین حالت) و درهم‌تنیدگی (اتصال ذرات از طریق فضا و زمان به روشی که درک کلاسیک از آن عاجز است) را در بر می‌گیرد.
اگرچه این پدیده‌ها بسیار شکننده هستند و تحت مشاهده فرو می‌پاشند، اما این ویژگی خود باعث می‌شود که حسگرهای بسیار دقیقی ایجاد شوند.
حسگرها دستگاه‌هایی هستند که تغییرات محیطی را تشخیص داده و آنها را به داده‌های قابل‌اندازه‌گیری تبدیل می‌کنند – مانند درهای خودکاری که هنگام نزدیک شدن افراد باز می‌شوند یا صفحه‌نمایش‌های لمسی گوشی‌های هوشمند.
حسگرهای کوانتومی به طرز شگفت‌آوری حساس هستند، زیرا ذرات کوانتومی به کوچک‌ترین تغییرات محیط واکنش نشان می‌دهند. برخلاف حسگرهای معمولی که ممکن است تغییرات ضعیف را نادیده بگیرند، حسگرهای کوانتومی حتی کمترین تغییرات در زمان، گرانش یا میدان‌های مغناطیسی را تشخیص می‌دهند.
این دقت بالا برای ایجاد سامانه‌های ناوبری مقاوم حیاتی است.
تیم تحقیقاتی ما در حال مطالعه روش‌های جدیدی برای استفاده از حسگرهای کوانتومی جهت اندازه‌گیری میدان مغناطیسی زمین برای مسیریابی است. با استفاده از الماس‌های کوانتومی، می‌توانیم میدان مغناطیسی زمین را در زمان واقعی اندازه‌گیری کرده و آن را با نقشه‌های مغناطیسی از پیش موجود مقایسه کنیم، که جایگزینی مقاوم برای GPS ارائه می‌دهد.
از آنجا که سیگنال‌های مغناطیسی تحت تأثیر اختلالات و مسدودسازی‌ها قرار نمی‌گیرند و در محیط‌های زیرآبی هم کار می‌کنند، این روش می‌تواند یک سامانه پشتیبان قوی باشد.
آینده ناوبری
در آینده، حسگرهای کوانتومی بهبود دقت موقعیت‌یابی (از طریق میدان‌های مغناطیسی و گرانشی زمین)، بهبود جهت‌یابی (با ژیروسکوپ‌های کوانتومی) و افزایش دقت زمان‌سنجی (با ساعت‌های اتمی پیشرفته) را امکان‌پذیر خواهند کرد.
این فناوری‌ها نه‌تنها سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای را تکمیل می‌کنند، بلکه در برخی موارد می‌توانند جایگزین آنها شوند.
با این حال، چالش‌های بزرگی برای عملی شدن این فناوری‌ها وجود دارد. پژوهشگران و شرکت‌های سراسر جهان در حال توسعه این فناوری‌ها هستند. استارتاپ‌ها و شرکت‌های باسابقه در حال ساخت نمونه‌های اولیه شتاب‌سنج‌ها و ژیروسکوپ‌های کوانتومی هستند، اما بسیاری از این فناوری‌ها هنوز در مراحل آزمایشی قرار دارند.
موانع اصلی شامل کاهش اندازه و نیاز به انرژی حسگرهای کوانتومی، افزایش پایداری آنها در محیط‌های غیرآزمایشگاهی و ادغام آنها با سامانه‌های ناوبری فعلی است.
همچنین هزینه بالا یک چالش بزرگ است – دستگاه‌های کوانتومی امروزی گران و پیچیده هستند و پذیرش گسترده آنها به چندین سال زمان نیاز دارد.
اگر این چالش‌ها برطرف شوند، ناوبری کوانتومی می‌تواند دنیای ما را تغییر دهد – نه با جایگزینی سریع GPS، بلکه با تبدیل شدن به یکی از اجزای کلیدی زیرساختی که جهان را به حرکت در می‌آورد.
