I ricercatori del Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti hanno sviluppato un interferometro a fascio di atomi raffreddato 3D continuo, in attesa di brevetto, derivato da un fascio di atomi freddo e continuo brevettato per esplorare i sistemi di misurazione inerziale basati sull'interferometria atomica come percorso per ridurre la deriva nella navigazione navale sistemi.
La navigazione inerziale è una tecnica di navigazione autonoma in cui le misurazioni fornite da accelerometri e giroscopi vengono utilizzate per tracciare la posizione e l'orientamento di un oggetto rispetto a un punto di partenza, orientamento e velocità noti. La navigazione inerziale quantistica è un nuovo campo di ricerca e sviluppo che può aumentare la precisione della misurazione inerziale di ordini di grandezza.
"Il nostro interferometro funziona in un regime diverso rispetto alla maggior parte delle altre moderne implementazioni di un interferometro atomico", ha affermato Jonathan Kwolek, Ph.D., fisico ricercatore della sezione di ottica quantistica dell'NRL all'interno della divisione di scienze ottiche. "Operando con atomi freddi e continui, abbiamo aperto la porta a una serie di vantaggi e a nuove tecniche di misurazione. In definitiva, vorremmo utilizzare questa tecnologia per migliorare i sistemi di navigazione inerziale, riducendo così la nostra dipendenza dal GPS."
Grazie alle proprietà uniche della sorgente atomica, l'interferometro a fascio atomico raffreddato 3D continuo presenta caratteristiche di misurazione promettenti come elevato contrasto di misurazione, basso rumore e migliore gestione delle variazioni nell'ambiente del sensore. Questa tecnologia ha il potenziale per fornire alla Marina la capacità di operare in ambienti privi di GPS e superare i limiti alla precisione del GPS.
A seconda della piattaforma di misurazione, gli errori nella stima della posizione si accumuleranno e comporteranno la perdita di informazioni precise sulla posizione. Gli attuali sistemi di navigazione inerziale disponibili in commercio, ad esempio, possono navigare con un accumulo di errori di circa 1 miglio nautico in 360 ore. L'NRL intende sviluppare nuove tecnologie per estendere tale tempo in modo tale che la deriva della navigazione non limiti la durata della missione.
"Il campo della navigazione inerziale mira a fornire informazioni di navigazione ovunque il GPS non sia disponibile", ha affermato il direttore associato della ricerca sui sistemi dell'NRL, Dr. Gerald Borsuk. "L'avvento dell'interferometria atomica consente un nuovo approccio al rilevamento inerziale, che ha il potenziale per risolvere alcune delle carenze delle attuali tecnologie all'avanguardia."
Il GPS è diventato la spina dorsale della funzionalità del nostro mondo sia civile che militare, fornendo informazioni di posizione e temporizzazione distribuite ad alta precisione ovunque nel mondo. Tuttavia, esistono alcuni ambienti di battaglia in cui il GPS non può funzionare, come sott'acqua o nello spazio, oltre a una crescente minaccia alla disponibilità del GPS sotto forma di jamming, spoofing o guerra anti-satellite.
"In un mondo ideale, possiamo proteggerci dalla perdita della navigazione convenzionale creando i migliori navigatori inerziali possibili", ha affermato Kwolek. "Questo per garantire che una perdita del GPS non permetta alle nostre navi di perdersi nel mezzo del territorio nemico."
Gli interferometri sono dispositivi che estraggono informazioni dalle interferenze utilizzando onde coerenti. Questa classe di dispositivi è ampiamente utilizzata per misurazioni precise di spostamenti, variazioni dell'indice di rifrazione e topologie superficiali. La navigazione inerziale viene utilizzata in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui la navigazione di aerei, missili tattici e strategici, veicoli spaziali, sottomarini e navi.
La fisica atomica offre uno strumento unico per effettuare misurazioni con estrema precisione. L'interferometria atomica è un metodo della fisica atomica in cui l'interferenza quantistica delle onde della materia atomica viene utilizzata per misurare cambiamenti estremamente precisi nelle condizioni ambientali, come campi o forze inerziali.
"L'esecuzione di misurazioni inerziali atomiche rispetto a una misurazione classica dà diverse dipendenze di errore", ha affermato Kwolek. "Prevediamo che, se eseguiti con attenzione, gli interferometri atomici mostreranno un comportamento acustico e una precisione migliori a lungo termine rispetto alle attuali tecnologie leader. Tradotto nel mondo della navigazione inerziale, ciò significa mantenere la posizione fissa più a lungo fornendo maggiore flessibilità operativa."
Gli interferometri atomici possono anche essere utilizzati per disciplinare un altro sensore, proprio come gli orologi vengono disciplinati rispetto al GPS. Questa combinazione di un interferometro con un cosensore può consentire agli interferometri di ottenere vantaggi in uno scenario di misurazione reale.
"Questa non è affatto una soluzione completa", ha detto Kwolek. "Ci sono dei compromessi nel funzionamento di un interferometro atomico, ad esempio la maggiore sensibilità è correlata a un range dinamico peggiore. Stiamo esplorando molteplici strade per risolvere questo problema, inclusa l'implementazione del cosensor o tecniche alternative di atomo freddo."
Questa ricerca sull'ottica quantistica è sponsorizzata dal Programma Base dell'NRL e dall'Office of Naval Research.
La legge sull’autorizzazione della difesa nazionale per l’anno fiscale 2024 afferma che la tecnologia quantistica si sta avvicinando a un punto di svolta che determinerà la rapidità con cui potrà avere un impatto. Se gli Stati Uniti riescono a mantenere il passo, si possono ottenere molti risultati importanti per il Dipartimento della Difesa (DOD), tra cui una solida posizione, navigazione e tempistica per la libertà delle operazioni del DOD con attacchi di precisione anche in contesti di spettro, spazio o operazioni informatiche.
NRL ha fornito soluzioni di navigazione alla flotta sin dal suo inizio, ma una svolta si è verificata negli anni '60 con l'invenzione del GPS.
L'NRL lanciò TIMATION I il 31 maggio 1967 e TIMATION II il 30 agosto 1969. TIMATION I dimostrò che una nave di superficie poteva essere posizionata entro due decimi di miglio nautico e un aereo entro tre decimi di miglio nautico utilizzando misurazioni della portata da un satellite sincronizzato nel tempo.
Sebbene inizialmente progettato per l'uso militare, il GPS è stato adattato per le esigenze di navigazione civile che vanno dall'aviazione commerciale ai dispositivi portatili palmari e tipo orologi da polso. Oggi, il GPS è una costellazione di 32 satelliti in orbita attorno alla Terra che forniscono dati precisi di navigazione e temporizzazione agli utenti finali militari e civili di tutto il mondo. Nonostante decenni di sviluppo del GPS, i sistemi di navigazione inerziale ottimizzati offrono alla Marina la capacità di mitigare il rischio di diventare completamente dipendenti dal GPS.
"Nell'era moderna, l'NRL è una delle numerose organizzazioni di ricerca che affrontano le sfide della navigazione inerziale navale", ha affermato Adam Black, Ph.D., capo della sezione di ottica quantistica dell'NRL. "Il laboratorio sta sfruttando le tecniche atomiche e ottiche avanzate per inventare nuove architetture per la misurazione inerziale che promettono una navigazione accurata delle piattaforme dinamiche della Marina."
Fornito da Naval Research Laboratory
