ההשפעה של חיישן קוונטי על ניווט חללי ומדמנטציה

מה שממבדיל את כל החיישנים הקוונטים הוא היכולת שלהם לגשת לגבולות היסוד המוטלים על ידי מכניקת הקוונטים עצמה.חיישנים קלאסיים הם לעתים קרובות מוגבלים על ידי רעש תרמי, סובלנות ייצור, או סחף אותות. חיישנים קוונטיים, לעומת זאת, פועלים ליד גבול הקוונטי הרגיל, ובמקרים מסוימים יכולים להתעלות על זה באמצעות מצבים דחוסים או סבך.

היתרון הקוונטי לניווט Spacecraft

ניווט בחלל מציג אתגרים ייחודיים. אותות GPS מבוססי כדור הארץ אינם זמינים מעבר למסלול הגיאוגרפי, ואפילו בתוך חלל סנטורור כוח האות מידרדר באופן דרמטי. Spacecraft חייב אפוא להסתמך על חיישנים המשולבים עם עדכונים מבוססי מדי פעם על בסיס הקרקע.דיוק של מערכות על הסיפון אלה משפיע ישירות על יכולות המשימה, החל משילוב מסלול נחיתה על פני פני כדור הארץ.

יחידות מדידה קוונטיות

יחידות מדידה מסורתיות (IMUs) להשתמש בגירוסקופים מכניים ו accelerometers כי מצטבר סחף לאורך זמן. IMU טיפוסית של ניווט ברמה IMU עשוי להיסחף על ידי כמה קילומטרים לשעה של פעילות, הדורש תיקונים תכופים מעוקבים כוכבים או עדכונים קרקעיים. Quantum IMU, בהתבסס על אינטרפרומטריה אטומית, שיעורי סחף שהם פקודות של גודל נמוך יותר.

מדחום אטומי פועל על ידי קירור ענן של אטומים לטמפרטורות מיקרו-קלווין, ולאחר מכן באמצעות הדופק לייזר בזמן בדיוק כדי להציב את האטומים לתוך סופרפוזיציה של שתי מדינות מוכות.כפי שהאטומים נופלים תחת כוח הכבידה ו recombine, דפוס ההתערבות שלהם מקודש מידע על האצה וסיבוב שהם חוו במהלך המדידה.

המעבדה להנעה של נאס"א וסוכנות החלל האירופית הפגינו תאוצה אטומית בסביבות מיקרו-גרביטטיביות, כולל בטיסות מטוסים פרבוליים ותחנת החלל הבינלאומית.הניסויים הללו מאשרים כי חיישנים קוונטיים יכולים לפעול בתנאי חלל, ובכך לייעל את הדרך ל- הקוונטים IMU במשימות עתידיות.

ניווט חלל עמוק ללא GPS

עבור משימות למאדים, כוכבי הלכת החיצוניים, או מעבר לכך, חיישנים קוונטיים מציעים את האפשרות של ניווט אוטונומי באמת. חללית מצוידת עם קוונטי IMU יכול לקבוע את המיקום ואת המהירות יחסית לנקודת התחלה ידועה עם הצטברות מינימלית במשך חודשים או שנים של נסיעות.זה מקטין את התלות על מעקב רשת חלל עמוק עובר, שחרור נכסים קרקעיים עבור משימות מרובות בו זמנית.

ההשלכות הן משמעותיות.ארצם של מאדים הנוכחי, למשל, דורשות גישה מדויקת מאוד ניווט כדי להכות את מסדרונות הכניסה שלהם.כל תרכובות שגיאה במהלך שלב הירידה, סיכון נחיתה מחוץ לאזור היעד.חיישנים קוונטיים יכולים לספק את הדיוק הדרוש לנחות בתוך מטרים של אתר המיועד, ולא את הקמרונים האופייניים כיום, בדומה למשימות התחדשות אסטרואיד, הדורשות התאמה מהירה עם גופים קטנים, היו תועלת עצומה ממערכות ניווט קוונטיות.

יתרונות מרכזיים במערכות אמנות

המעבר מחיישנים קלאסיים ועד קוונטים מונע על ידי מספר יתרונות ברורים שמטפלים בנקודות כאב ארוכות טווח בניווט חלליות ומדידה.

• (FLT:0) דיוק ויציבות: FIRLT:1 חיישנים קוונטיים מודדים תכונות אטומיות כי הם זהים על כל האטומים של אותו אלמנט.זה אומר שאין סחף קללה, לא רגישות תרמית, ואין יכולת ייצור. a קוונטית a קוונטית accelerometer שנבנה במעבדה אחת, יניב תוצאות זהות אחד בנוי אחד בשני, ובכך יבטל מקור גדול של אי-ודאות.
• (FLT:0) פעולה אוטונומית: FLT:1 כי חיישנים קוונטיים אינם דורשים אותות חיצוניים או משואות התייחסות, חלליות יכולות לנווט באופן עצמאי בשליטה הקרקעית לתקופות ארוכות.
• (FLT:0) Multi-parameter חישה: אנדרט 1:1 חיישן קוונטי יחיד יכול למדוד האצה, סיבוב, ו ⁇ כוח הכבידה בו זמנית. במערכת קלאסית, פונקציות אלה דורשות מכשירים נפרדים, כל אחד עם מסה, כוח, דרישות calibration.
• (FLT:0)Radiationסובלנות: FLT:1 אטומי אינטרפרמטרים ומכשירים קוונטיים אחרים הם עמידים יותר לקרינה מאשר חיישנים מבוססי מוליכים למחצה. בעוד קרינת יון יכולה להזיק אלקטרוניקה, יש לו השפעה מינימלית על רמות אנרגיה אטומית, מה שהופך חיישנים קוונטיים מתאימים לסביבות עתירה גבוהה כמו חגורת ואן אלן או מגנטית של צדק.
• (FLT:0) אין חלקים נעים: 1FLT חיישנים קוונטיים מסתמכים על אור לייזר ושדות מגנטיים ולא על רכיבים מכניים.זה מבטל את ללבוש, רגישות רטט, ואת הסיכון של כשל מכני על משימות ארוכות.

היתרונות האלה אינם רק תיאורטיים.מספר סוכנויות חלל וחברות פרטיות מפתחים באופן פעיל חיישנים קוונטיים לחלל, עם הפגנות טיסה הצפויות בתוך שלוש עד חמש שנים.

השפעה על יכולת מדידה מדעית

מעבר לניווט, חיישני הקוונטים פותחים גבולות חדשים במדעי החלל.הרגישות הקיצונית של מכשירים אלה מאפשרת מדידה שלא הייתה אפשרית בעבר, ומספקת תובנות חדשות בפיזיקה יסודית, מדע פלנטרי וקוסמולוגיה.

גילוי הגלים בחלל

גילוי גלי הכבידה על ידי LIGO בשנת 2015 אישר חיזוי מפתח של תורת היחסות הכללית וחנך עידן חדש של אסטרונומיה.עם זאת, גלאי קרקע מבוססים מוגבלים על ידי רעש סיסמי וחוסר יכולת לצפות בתדרים נמוכים.

חיישנים קוונטיים יכולים לשפר את המצפה האלה עוד יותר.על ידי שימוש במדינות אור מוצקות, אשר להפחית רעש קוונטי בכיוון מדידה אחד על חשבון רעש מוגבר בתוך אחר, מדרומי ביניים המבוססים על חלל יכולים להשיג מספיק רגישות כדי לזהות גלי כבידה ממקורות בלתי נראים ל-LIGO, כולל מיזוגים שחורים סופרמסיביים ודלקתיים קיצוניים-mass-mass-rpirals.ESA כבר הוכיחה אור בתנאי חלל אלה.

כדור הארץ ותצפיות גיאודות

מטבוליזם של כוח הכבידה קוונטי, אשר מודד וריאציות בהאצה הכבידה על פני מרחקים קטנים, יש יישומים ישירים להתבוננות כדור הארץ.על ידי מיפוי שדה הכבידה עם החלטה חסרת תקדים, מכשירים אלה יכולים לחשוף מבנים תת-קרקעיים, לעקוב אחר שינויים באחסון מים קרקעיים, לפקח על איזון מסה של גיליון הקרח ולשפר מודלים של זרמי האוקיינוס.

משימות כוח הכבידה הנוכחיות, כגון GRACE-FO, להשתמש במיקרוגל בין שני לווינים כדי למדוד את וריאציות הכבידה. ⁇ כוח הכבידה קוונטית יכול להשיג רגישות דומה או טובה יותר מ לוויין אחד, תוך חיסול הצורך בבניית טיסה וצמצום המורכבות של המשימה של סין טאיג'י-2 ו- ESA של מחקר כוח הכבידה הבא של ESA הם גם להעריך טכנולוגיית גלימת הקוונטים עבור פריסה מבצעית 2030.

פיזיקה בסיסית במיקרוגרפיות

חלל מציע סביבה ייחודית לבדיקת פיזיקה בסיסית, כי מיקרו-גרביטי מבטל מקורות רבים של רעש ניסיוני.חיישנים קוונטיים בחלל יכולים לבצע בדיקות של עקרון השוויון עם ניסויים מדויקים הרבה יותר על בסיס הקרקע, לחפש וריאציות בקבועים בסיסיים, ולחקור את הממשק בין מכניקת הקוונטים לבין היחסות הכללית.

המעבדה הקרה של Atom בתחנת החלל הבינלאומית כבר הוכיחה את Bose-Einstein condensatesates ואת Atom interferometry במיקרו-גרביטציה, השגת זמני קוהרנטיות בלתי אפשריים על פני כדור הארץ. ניסויים אלה סללו את הדרך למשימות פיזיקליום ייעודיות שיכולות לחשוף פיזיקה חדשה מעבר למודל הסטנדרטי.

משימות וניסויים

מספר משימות וניסויים הם אימות פעיל טכנולוגיית חיישן הקוונטי לחלל.המאמצים הללו משתרעים על סוכנויות ממשלתיות, קבוצות מחקר אקדמיות וגופים מסחריים.

(FLT:0) מעבדת האטום הקרה של נאס"א (CALOVA)FLT) 1:1 פועלת על ISS מאז 2018 מייצרת עננים אולטרה-קוראומטריה ועריכת ניסויים אטומיים במיקרו-גרביטציה. CAL הדגים את הזמנים הבין-אטומיים הארוך ביותר שהושג בחלל, אבן דרך קריטית עבור חיישנים קוונטיים עתידיים.

(FLT:0) ,II PathfinderFLT:1 של ESA מציע חללית ייעודית לבדיקת חיישני הקוונטים במסלול, כולל שעונים אטומיים, תת-מטרים ומערכות תקשורת קוונטיות.המשימה תאמת טכנולוגיות אלה ברמה מערכתית לפני שילוב לחללית התפעולית.

שעון האטום הקרה של סין: [FLT] פעל בהצלחה בתחנת החלל טיאנג'ה-2, והפגין יציבות דומה לשעון מבוסס הקרקע הטוב ביותר.סין הודיעה על תוכניות לווין מדעי הקוונטי ייעודי לעקוב אחר המשימה החלוצית של מיקיוס.