عند الشراء من خلال روابط على مقالاتنا ، قد يكسب المستقبل وشركاء المشاركة في العمولة.
مركبة اختبار Orbital X-37B في منشأة كينيدي للفضاء في ناسا ، بعد فترة وجيزة من الهبوط في 12 نوفمبر 2022. | الائتمان: قوة الفضاء الأمريكية/الرقيب. آدم شانكس
تم نشر هذا المقال في الأصل في المحادثة. ساهم المنشور بالمقال في space.com أصوات الخبراء:.
صموئيل ليلوش هو أستاذ مساعد في التوأم الرقمي في جامعة برمنغهام ، حيث يقود نشاطًا للبحث والابتكار في مجال النظرية والنمذجة والمحاكاة للأنظمة الكمومية والتقنيات الكمومية.
إن طائرة فضائية عسكرية أمريكية ، وهي سيارة اختبار مدارية X-37B ، ناتجة عن الشروع فيها رحلتها الثامنة في الفضاء في 21 أغسطس 2025. الكثير مما يفعله X-37B في الفضاء أمر سري. لكنه يعمل جزئيًا كمنصة للتجارب المتطورة.
إحدى هذه التجارب هي بديل محتمل لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الذي يستخدم العلوم الكمومية كأداة للتنقل: مستشعر بالقصور الذاتي الكمومي.
الأنظمة القائمة على الأقمار الصناعية مثل GPS في كل مكان في حياتنا اليومية ، من خرائط الهواتف الذكية إلى الطيران والخدمات اللوجستية. لكن GPS غير متوفر في كل مكان. يمكن أن تحدث هذه التكنولوجيا ثورة في كيفية تنقل المركبات الفضائية والطائرات والسفن والغواصات في البيئات التي لا يتوفر فيها GPS أو معرضة للخطر.
في الفضاء ، وخاصة ما وراء مدار الأرض ، تصبح إشارات GPS غير موثوقة أو تتلاشى ببساطة. وينطبق الشيء نفسه تحت الماء ، حيث لا يمكن للغواصات الوصول إلى GPS على الإطلاق. وحتى على الأرض ، يمكن أن تكون إشارات GPS محشور (محظور) ، خداع (جعل جهاز استقبال GPS يعتقد أنه في موقع مختلف) أو معطل – على سبيل المثال ، أثناء الصراع.
هذا يجعل التنقل بدون GPS تحديًا حاسمًا. في مثل هذه السيناريوهات ، يصبح وجود أنظمة الملاحة التي تعمل بشكل مستقل عن أي إشارات خارجية أمرًا ضروريًا.
تقليدي أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي (INS) ، التي تستخدم مقاييس التسارع والجيروسكوبات لقياس تسارع السيارة وتناوبها ، توفر التنقل المستقل ، حيث يمكنها تقدير الموقف من خلال تتبع كيفية تحرك السيارة بمرور الوقت. فكر في الجلوس في سيارة مع عينيك مغلقة: لا يزال بإمكانك الشعور بالمنعطفات والتوقفات والتسارع ، والتي يدمجها عقلك لتخمين مكانك بمرور الوقت.
في النهاية ، بدون إشارات مرئية ، ستتراكم الأخطاء الصغيرة وستفقد وضعك تمامًا. وينطبق الشيء نفسه مع أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي الكلاسيكي: كما تتراكم أخطاء القياس الصغيرة ، فإنها تنجرف تدريجياً عن المسار ، وتحتاج إلى تصحيحات من GPS أو إشارات خارجية أخرى.
X-37b داخل SpaceX Falcon 9 Payload Fairing قبل إطلاق مهمتها الثامنة. | الائتمان: قوة الفضاء الأمريكية
حيث يساعد الكم
إذا كنت تفكر في الفيزياء الكم، ما قد يتبادر إلى ذهنك هو عالم غريب حيث تتصرف الجسيمات مثل الأمواج ، كما أن قطة شرودنجر ميتة وحيوية. تصف تجارب الفكر هذه بصدق كيف تتصرف الجزيئات الصغيرة مثل الذرات.
في درجات حرارة منخفضة للغاية ، تطيع الذرات قواعد ميكانيكا الكم: فهي تتصرف مثل الأمواج ويمكن أن توجد في حالات متعددة في وقت واحد – خصائصان تقع في قلب أجهزة الاستشعار الكمومية.
ال مستشعر بالقصور الذاتي على متن يستخدم X – 37B تقنية تسمى التداخل الذرة، حيث يتم تبريد الذرات إلى درجة حرارة الصفر القريبة من الصفر ، لذلك تتصرف مثل الأمواج. باستخدام أشعة الليزر التي تم ضبطها ، يتم تقسيم كل ذرة إلى ما يسمى حالة التراكب ، على غرار قطة Schrödinger ، بحيث تسافر في وقت واحد على طريقين ، والتي يتم إعادة تجميعها بعد ذلك.
نظرًا لأن الذرة تتصرف مثل موجة في ميكانيكا الكم ، فإن هذين المسارين يتداخلان مع بعضهما البعض ، مما يخلق نمطًا مشابهًا لموجات متداخلة على الماء. تم ترميزها في هذا النمط معلومات مفصلة حول كيفية تأثير بيئة Atom على رحلتها. على وجه الخصوص ، تترك أصغر التحولات في الحركة ، مثل دورات المستشعر أو التسارع ، علامات قابلة للاكتشاف على هذه “الأمواج” الذرية.
بالمقارنة مع أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي الكلاسيكي ، تقدم أجهزة الاستشعار الكمومية أوامر ذات حجم أكبر. نظرًا لأن الذرات متطابقة ولا تتغير ، على عكس المكونات الميكانيكية أو الإلكترونيات ، فهي أقل عرضة للانجراف أو التحيز. والنتيجة هي المدة الطويلة والملاحة عالية الدقة دون الحاجة إلى مراجع خارجية.
ستكون مهمة X -37B القادمة هي المرة الأولى التي يتم فيها اختبار هذا المستوى من التنقل بالقصور الذاتي الكمومي في الفضاء. المهام السابقة ، مثل مختبر الذرة الباردة في ناسا و Maius-1 من وكالة الفضاء الألمانية، قد نقلت مقاييس التداخل في الذرة في الرحلات الجوية المدار أو دون المدار وأظهرت بنجاح الفيزياء وراء قياس التداخل في الذرة في الفضاء ، ولكن ليس على وجه التحديد لأغراض التنقل.
X-37b (في الوقت الذي نقله سلاح الجو الأمريكي) داخل Ula Atlas V Rocket Payload Fairing قبل إطلاقه الأول في 22 أبريل 2010. | الائتمان: قوة الفضاء الأمريكية/بوينغ
على النقيض من ذلك ، تم تصميم تجربة X-37B كوحدة ملاحة مدمجة وعالية الأداء ومرنة للعالم الحقيقي والبعثات طويلة الأجل. إنه يحرك قياس التداخل الذري من عوالم العلوم الخالصة وإلى تطبيق عملي للفضاء. هذه قفزة كبيرة.
هذا له آثار مهمة على كل من النور العسكري والمدني. بالنسبة لقوة الفضاء الأمريكية ، فإنه يمثل خطوة نحو مزيد من المرونة التشغيلية ، وخاصة في السيناريوهات التي قد يتم فيها رفض GPS. من أجل استكشاف الفضاء المستقبلي ، مثل القمر أو المريخ أو حتى الفضاء العميق ، حيث يكون الحكم الذاتي أساسيًا ، فإن نظام الملاحة الكموميات لا يمكن أن يعمل فقط كنسخة احتياطية موثوقة ولكن حتى كنظام أساسي عندما تكون الإشارات من الأرض غير متوفرة.
الملاحة الكمومية ليست سوى جزء واحد من الموجة الحالية والأوسع من التقنيات الكمومية التي تنتقل من أبحاث المختبر إلى تطبيقات العالم الحقيقي. في حين أن الحوسبة الكمومية والاتصالات الكمومية غالباً ما تسرق العناوين الرئيسية ، فمن المحتمل أن تكون أنظمة مثل الساعات الكمومية وأجهزة الاستشعار الكمومية أول من يرى استخدامًا واسع النطاق.
تستثمر البلدان بما في ذلك الولايات المتحدة والصين والمملكة المتحدة بكثافة في الاستشعار الكمومي بالقصور الذاتي ، مع اختبارات حديثة محمولة جواً وغواصة تُظهر وعدًا قويًا. في عام 2024 ، أجرت بوينغ وأوسنسي العالم أول اختبار للتنقل بالقصور الذاتي الكمي على متن على متن طائرة مغمورة.
أظهر هذا التنقل الخالي من GPS المستمر لمدة أربع ساعات تقريبًا. في نفس العام ، أجرت المملكة المتحدة أول معترف بها علنًا اختبار رحلة التنقل الكم على طائرة تجارية.
هذا الصيف ، ستجلب مهمة X – 37B هذه التطورات إلى الفضاء. بسبب طبيعته العسكرية ، يمكن أن يظل الاختبار هادئًا وغير جمهوري. ولكن إذا نجحت ، فقد يتم تذكرها لأن اللحظة التي اتخذت فيها التنقل الفضائي قفزة الكم إلى الأمام.
تم إعادة نشر هذه المقالة المعدلة من المحادثة تحت رخصة العموم الإبداعية. اقرأ المقالة الأصلية.