گجت نیوز آخرین اخبار تکنولوژی، علم و خودرو 
با محدودیت‌ها و آسیب‌پذیری‌های جی‌پی‌اس، این پرسش مطرح می‌شود که آیا ناوبری کوانتومی می‌تواند راه حلی برای آینده موقعیت‌یابی دقیق ارائه دهد؟
نقش کلیدی سامانه موقعیت‌یابی جهانی (GPS) در مسیریابی روزانه، هدایت دقیق موشک‌ها به سوی اهدافشان و سایر موارد بر کسی پوشیده نیست. با این حال وابستگی بشریت به این شبکه متشکل از ده‌ها ماهواره در گردش به دور زمین، با مجموعه‌ای از آسیب‌پذیری و محدودیت‌های عملکردی همراه است که در شرایط خاص، کارایی آن را به چالش می‌کشد.
یکی از بارزترین نقاط ضعف جی‌پی‌اس در محیط‌های پرمخاطره نظیر مناطق جنگی و میدان‌های نظامی آشکار می‌شود. در چنین فضاهایی، سیگنال‌های ضعیف و آسیب‌پذیر ماهواره‌ای می‌توانند به سادگی هدف حملات الکترونیکی قرار گیرند. علاوه بر تهدیدات عمدی، جی‌پی‌اس با محدودیت‌های فیزیکی محیطی نیز دست و پنجه نرم می‌کند. سیگنال‌های ماهواره‌ای برای رسیدن به گیرنده نیازمند خط دید مستقیم هستند. این بدان معناست که در محیط‌های زیرزمینی مانند تونل‌ها و غارها، یا در اعماق اقیانوس‌ها که آب مانع عبور سیگنال‌های رادیویی می‌شود، GPS عملاً از کار می‌افتد.
اما چالش اصلی جی‌پی‌اس در مرزهای فضا نهفته است. در حالی که GPS برای زمین طراحی شده و ماهواره‌های آن در مدارهایی نسبتاً نزدیک به زمین قرار دارند، با دور شدن از سیاره مادری، سیگنال‌های آن به شدت ضعیف شده و عملاً در مأموریت‌های فضایی دوردست نظیر سفر به ماه و مریخ کاربردی ندارند.
در مواجهه با این محدودیت‌ها محققان در حال کاوش و توسعه روش‌های نوین ناوبری هستند که بتوانند موقعیت را بدون وابستگی مستقیم به سیگنال‌های ماهواره‌ای تعیین کنند. در این میان، روش‌هایی مبتنی بر ناوبری کوانتومی به دلیل پتانسیل بالا در ارائه دقت فوق‌العاده و مقاومت در برابر اخلال، به کانون توجه تبدیل شده‌اند.
انقلاب ناوبری کوانتومی در جهت‌یابی
سامانه‌های اینرسی نظیر شتاب‌سنج‌ها و ژیروسکوپ‌ها دهه‌هاست که نقش ستون فقرات ناوبری را ایفا می‌کنند. این حسگرها با قابلیت سنجش مداوم تغییرات حرکتی و چرخشی یک وسیله، قادرند موقعیت لحظه‌ای آن را نسبت به یک نقطه آغازین تخمین بزنند. تصور کنید در یک خودرو چشمانتان بسته است. حس بدن شما شتاب‌گیری‌ها، ترمزها، و پیچ‌های مسیر را درک می‌کند و ذهنتان به طور پیوسته موقعیت تقریبی را حدس می‌زند.
با این حال کوچک‌ترین خطاهای اندازه‌گیری در هر لحظه، با گذشت زمان و ادامه حرکت انباشته می‌شوند و به تدریج منجر به انحراف قابل توجهی از موقعیت واقعی می‌شوند. به همین دلیل، سامانه‌های ناوبری اینرسی متداول برای حفظ دقت خود در طولانی‌مدت، ناگزیر به استفاده از سیگنال‌های جی‌پی‌اس هستند. اما چه اتفاقی می‌افتد اگر این سیگنال‌های خارجی در دسترس نباشند یا مورد حمله قرار گیرند؟
پژوهشگران با نگاهی به آینده، چشم به سامانه «حسگر اینرسی کوانتومی» دوخته‌اند که وعده رهایی از این وابستگی را می‌دهد. این فناوری پیشرفته بر پایه اصول بنیادین مکانیک کوانتوم بنا شده و از پدیده «تداخل اتمی» برای دستیابی به دقتی بی‌سابقه بهره می‌برد. به جای قطعات مکانیکی یا الکترونیکی که ذاتاً دچار خطا و نویز هستند، حسگر کوانتومی از خود اتم‌ها به عنوان ابزارهای اندازه‌گیری فوق‌العاده حساس استفاده می‌کند.
حسگر اینرسی کوانتومی چگونه کار می‌کند؟
قلب تپنده این فناوری در دستکاری دقیق اتم‌ها نهفته است. ابتدا دسته‌ای از اتم‌ها تا دمایی نزدیک به صفر مطلق (حدود منفی ۲۷۳.۱۵ درجه سانتی‌گراد یا صفر کلوین) سرد می‌شوند. در این دما حرکت تصادفی اتم‌ها به حداقل می‌رسد و ماهیت موجی آن‌ها که معمولاً در دماهای بالاتر پنهان است، آشکار می‌شود. لیزرها با دقت اتم‌ها را به گونه‌ای تحریک می‌کنند که به حالتی خاص وارد شوند که به آن حالتی از «برهم‌نهی کوانتومی». در این وضعیت، هر اتم به طور هم‌زمان در دو مسیر فضایی مختلف حرکت می‌کند. پس از طی مسیری کوتاه، این دو مسیر کوانتومی دوباره با هم ترکیب می‌شوند و پدیده «تداخل» رخ می‌دهد؛ درست مانند امواج آب که وقتی با هم برخورد می‌کنند.
- پایان سلطه GPS آمریکا در خاورمیانه: ایرلاین‌ها برای مسیریابی به یک سیستم جدید روی می‌آورند
- معاون وزیر ارتباطات: GPS آمریکایی است، سیستم بیدو چین را جایگزین می‌کنیم
- چه کسی GPS را کنترل می‌کند و آیا ارتش آمریکا قادر به قطع آن است؟
- مشکل عجیب ناسا در راه سفر دوباره به ماه : سرویس GPS کار نمی‌کند!
با خواندن و تجزیه و تحلیل دقیق این الگوی تداخلی، حسگر اینرسی کوانتومی قادر است حتی ریزترین تغییرات در شتاب یا سرعت زاویه‌ای وسیله را با دقتی چندین مرتبه بیشتر از سامانه‌های سنتی ثبت کند. تفاوت اساسی اینجاست که در ناوبری کوانتومی، خود اتم‌ها مانند اجزای مکانیکی یا الکترونیکی دچار خطا نمی‌شوند. این ویژگی منحصر به فرد به سامانه ناوبری کوانتومی اجازه می‌دهد تا اطلاعات موقعیتی بسیار دقیق و پایداری را در طولانی‌مدت تولید کند، بدون اینکه نیازی به هیچ‌گونه سیگنال خارجی برای تصحیح خطا داشته باشد.
این پیشرفت خیره‌کننده، پتانسیل تحول آفرینی در کاربردهای بی‌شماری دارد. از ناوبری فضاپیماها در اعماق فضا و مأموریت‌های طولانی‌مدت به سیارات دیگر که سیگنال‌های GPS به آنجا نمی‌رسند، گرفته تا هدایت زیردریایی‌ها در اعماق اقیانوس‌ها. همچنین در سناریوهای نظامی که سیگنال‌های جی‌پی‌اس در معرض اخلال یا جعل قرار دارند، این فناوری می‌تواند مزیت بی‌نظیری ایجاد کند. در واقع ناوبری کوانتومی مانند این است که بتوانید با چشمان بسته نه تنها برای چند لحظه، بلکه برای ساعت‌ها، روزها و حتی هفته‌ها، مسیر خود را با دقتی باورنکردنی و بدون هیچ کمکی از بیرون درک و دنبال کنید.
مأموریت X-37B برای اعتبارسنجی فناوری‌های کوانتوم
فضاپیمای X-37B نیروی فضایی ایالات متحده بار دیگر برای هشتمین مأموریت خود، این بار با اهدافی جاه‌طلبانه و آشکارتر از پیش به مدار زمین پرتاب می‌شود. این پرتاب از پایگاه فضایی کیپ کاناورال در فلوریدا و با استفاده از موشک فالکون هوی (Falcon Heavy) شرکت اسپیس‌ایکس صورت می‌گیرد و محور مأموریت آن، آزمایش حسگر اینرسی کوانتومی است.
X-37B، که شباهت زیادی به شاتل‌های فضایی کوچک دارد اما بی‌سرنشین و کاملاً خودمختار است، نخستین پرواز خود را در سال 2010 تجربه کرده است. این فضاپیمای رباتیک و قابل استفاده مجدد، طراحی شده است تا بتواند فناوری‌های پیشرفته متعددی را در شرایط سخت و بی‌نظیر فضا برای مدت‌های طولانی مورد ارزیابی قرار دهد.
در گذشته بسیاری از مأموریت‌های این فضاپیما به عنوان یک راز تلقی می‌شدند. اما هشتمین پرواز X-37B آشکار بوده و بر روی دو فناوری حیاتی تمرکز دارد که آینده عملیات‌های فضایی را دگرگون خواهند کرد: توسعه و اعتبارسنجی حسگرهای کوانتومی برای ناوبری مستقل و آزمایش سامانه‌های ارتباطی لیزری.
سامانه ارتباطات لیزری که از پالس‌های لیزر برای انتقال اطلاعات استفاده می‌کند، قادر است سرعت و امنیت انتقال داده‌ها را به طور چشمگیری نسبت به روش‌های معمول ارتباطات رادیویی افزایش دهد. در عصری که نیاز روزافزون به تبادل حجم عظیمی از داده‌ها، به‌ویژه در شبکه‌های ماهواره‌ای و مأموریت‌های فضایی چند سیاره‌ای احساس می‌شود، ارتباطات لیزری یک تغییردهنده بازی محسوب می‌شود.
تحلیلگران نظامی و فضایی معتقدند که موفقیت‌آمیز بودن آزمایش‌های X-37B می‌تواند نقطه عطفی در توسعه سامانه‌های ناوبری کاملاً مستقل باشد. این گام‌های اولیه، هرچند چالش‌های فنی زیادی از جمله نیاز به کوچک‌سازی حسگرهای کوانتومی و همچنین افزایش پایداری و مقاومت آن‌ها در برابر شرایط سخت محیطی فضا را به همراه دارد، اما می‌توانند اساس یک انقلاب را فراهم کنند و به مرحله عملیاتی شدن در مدار زمین برسند.