قطب‌نمای کوانتومی جانشین GPS می‌شود

غزال زیاری: دکتر جوزف کوتر خیلی وقت‌ها که به متروی لندن می‌رود، چندین چمدان عجیب‌وغریب با خودش به همراه دارد. این چمدان‌ها حاوی محفظه خلأ فولادی ضدزنگ، چند میلیارد اتم روبیدیم و مجموعه‌ای از لیزرها هستند که برای خنک نگاه‌داشتن تجهیزاتش در دمایی در نزدیکی صفر مطلق (۲۷۳- سانتی‌گراد) مورداستفاده قرار می‌گیرند.

چمدانی که او با خودش در خطوط مترو حمل می‌کند، یک چمدان معمولی نیست؛ بلکه وسیله‌ای است که کوتر (محقق مرکز ماده سرد امپریال کالج لندن) با هدف خاصی در سفرهای زیرزمینی همراه دارد. همین چمدان عجیب‌وغریب، اهداف بلندپروازانه ای را دنبال می‌کند و محققان از آن برای تحقیق و توسعه قطب‌نمای کوانتومی بهره می‌برند.

قطب نمای کوانتومی چیست؟

قطب نمای کوانتومی درواقع ابزاری است که با بهره‌گیری از رفتار ماده زیر اتمی برای توسعه دستگاه‌هایی مورداستفاده قرار می‌گیرد که می‌توانند مکانی که در آن قرار می‌گیرند را بدون توجه به شرایط محیطی، دقیقاً مشخص کنند. بدین ترتیب راه برای ایجاد نسل جدیدی از سنسورهای زیرزمینی و زیرآب هموار خواهد شد.

کوتر و اعضای تیمش به این نتیجه رسیده‌اند که یکی از مکان‌های ایده‌آل برای آزمایش این دستگاه، متروی لندن است. او در این رابطه گفته: «ما با استفاده از مکانیک کوانتومی، در حال‌ توسعه حسگرهای جدید و بسیار دقیقی هستیم که عملکرد نویدبخشی در محیط آزمایشگاه داشته‌اند؛ اما تنظیمات آن‌ها در زندگی واقعی، دقت کمتری دارد. به همین خاطر هم هست که تجهیزات‌مان را به داخل متروی لندن می‌بریم. متروی لندن، مکانی عالی برای شناسایی مشکلات و همچنین استفاده از این تجهیزات در زندگی واقعی است.»

نقاط ضعف موقعیت‌سنجی با GNSS ها

ایده اصلی قطب‌نمای کوانتومی دور زدن یا تقویت روش‌های جریان برای تعیین دقیق مکان هواپیماها، اتومبیل‌ها و سایر اجرام است. در شرایط فعلی این‌ها معمولاً به سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) مثل GPS که در حمل‌ونقل کالاها و خدمات از طریق جاده، دریا و هوا حیاتی هستند، اتکا دارند. این سیستم‌ها با بهره‌گیری از سیگنال‌های خارجی، موقعیت دقیق خودروها را تعیین می‌کنند.

اما یکی از اصلی‌ترین نقاط ضعف دستگاه‌های GNSS این است که در مقابل آب‌وهوای بد و پارازیت‌ها آسیب‌پذیرند؛ در زیرآب یا زیرزمین کار نمی‌کنند و ساختمان‌های بلند و موانع دیگر، باعث مسدود شدن سیگنال‌هایشان می‌شود.

در این میان هدف پروژه امپریال کالج، ساخت دستگاهی است که علاوه بر دقت بالا در تعیین موقعیت، به دریافت سیگنال‌های خارجی نیز متکی نباشد.

دکتر آیشا کاوشیک، یکی از اعضای تیم مرکز امپریال که بر روی ماده سرد کار می‌کند، گفت: «با این دستگاه، دیگر نگران گم‌شدن یا مسدود شدن سیگنال‌ها توسط آپارتمان‌های مرتفع نخواهیم بود و با اعتماد بیشتری می‌دانیم که یک فرد یا وسیله نقلیه‌اش در یک‌زمان مشخص، دقیقاً کجاست.»

در قلب قطب‌نمای کوانتومی (که تنها چند سال تا تولید و استفاده گسترده‌اش فاصله‌داریم)، دستگاهی به نام شتاب‌سنج وجود دارد که نحوه تغییر سرعت یک جسم در طول زمان را اندازه‌گیری می‌کند. در اختیار داشتن این اطلاعات، به همراه نقطه شروع آن شی، امکان محاسبه موقعیت‌های آتی را فراهم خواهد کرد.

گرچه تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ‌ها دارای شتاب‌سنج هستند اما این شتاب‌سنج‌ها قادر نیستند که درزمانی طولانی، با دقتی بالا، به فعالیت ادامه دهند. حالا راهکار مکانیک کوانتومی برای دانشمندان این است که بتوانند با اندازه‌گیری خواص اتم‌های فوق سرد، به داده‌های دقیقی دست پیدا کنند. در دماهای بسیار پایین، اتم‌ها به شیوه‌ای «کوانتومی»، دقیقاً مثل ماده و امواج عمل می‌کنند.

نحوه کارکرد قطب نمای کوانتومی

کوتر دراین‌باره توضیح داد: «وقتی اتم‌ها فوق‌العاده سرد هستند، می‌توانیم از مکانیک کوانتومی برای توصیف نحوه حرکت آن‌ها استفاده کنیم و این، امکان اندازه‌گیری‌های دقیقی را برای ما فراهم می‌کند تا بتوانیم بگوییم که دستگاه ما چگونه موقعیتش را تغییر می‌دهد.»

در دستگاه‌هایی که در قطارهای آزمایشی ریل زیرزمینی لندن حمل می‌شوند، روبیدیم در محفظه خلأ که در قلب دستگاه قرار دارد مورداستفاده قرار می‌گیرد. برای خنک کردن این اتم‌ها از لیزرها استفاده می‌شود تا دمایشان به کمی بالاتر از دمای صفر مطلق (۲۷۳- درجه سانتی‌گراد) برسد. در این شرایط، خواص موجی ‌اتم‌های روبیدیم تحت تأثیر شتاب وسیله‌نقلیه است و بدین ترتیب می‌توان این تغییرات با دقت اندازه‌گیری کرد.

کوتر ادامه داد: «این سیستم در یک آزمایشگاه پایدار به‌خوبی کار می‌کند ولی اما اگر بخواهیم از آن به‌عنوان دستگاه قابل‌حمل و مستقل در مکان‌های دورافتاده یا پیچیده بهره ببریم، باید در شرایط دقیق‌تر و سخت‌تری مورد آزمایش قرار بگیرند.»

تونل‌های قطار لوله‌ای گزینه ایده‌آلی برای انجام این آزمایش‌ها هستند؛ چراکه با استفاده از حسگرهای کوانتومی جدید در متروی لندن، نیاز به استفاده از صدها کیلومتر کابل که در حال حاضر برای ردیابی محل ۵۴۰ قطاری که لندن حرکت می‌کنند از بین خواهد رفت.

منبع: theguardian

۲۲۷۲۲۷