La necessità di precisione

I sistemi di navigazione odierni, come il GPS, sono onnipresenti ed essenziali nella nostra vita quotidiana, sia per guidare, esplorare o anche monitorare le consegne. Tuttavia, questi sistemi presentano limitazioni significative. I segnali GPS sono spesso bloccati da edifici alti, non funzionano sott'acqua e sono vulnerabili alle intemperie e alle interferenze.

Da parte loro, i sistemi globali di navigazione satellitare (GNSS) si affidano a segnali esterni per determinare le posizioni. Ma ancora una volta, in ambienti complessi come città con molti grattacieli, tunnel sotterranei o aree sottomarine, questi segnali possono essere interrotti o non funzionare correttamente, rendendo la navigazione difficile o impossibile.

Con l’aumento delle attività in questi ambienti complessi, la necessità di sistemi di navigazione più accurati e affidabili è diventata fondamentale. Che si tratti di esplorazioni subacquee, missioni di salvataggio in tunnel o anche di applicazioni militari, una bussola in grado di funzionare indipendentemente dai segnali GPS fornirebbe infatti vantaggi significativi.

Il progetto della bussola quantistica dell'Imperial College mira a soddisfare queste esigenze creando un dispositivo in grado di individuarne la posizione senza fare affidamento su segnali esterni. Ciò potrebbe rivoluzionare la navigazione e la localizzazione in ambienti estremi.

Crediti: NicoElNino/istock

Come funziona una bussola quantistica?

Al centro della bussola quantistica c’è un dispositivo chiamato accelerometro. Un accelerometro è un dispositivo che misura l'accelerazione e le variazioni della velocità di un oggetto nel tempo. Conoscendo la velocità e la direzione iniziali, la posizione dell'oggetto può essere determinata in qualsiasi momento.

Gli accelerometri si trovano già in molti dispositivi popolari, come smartphone e laptop, dove aiutano a orientare lo schermo o a rilevare movimenti improvvisi. Tuttavia, queste versioni commerciali non possono mantenere un’elevata precisione per lunghi periodi di tempo.

È qui che entra in gioco la meccanica quantistica.

Per capire come funziona una bussola quantistica, dobbiamo prima guardare al ruolo degli atomi di rubidio. Questi atomi sono scelti per le loro speciali proprietà a temperature molto basse, prossime allo zero assoluto (-273,15°C). In questo stato estremamente freddo, entrano effettivamente in quello che viene chiamato stato “quantico”. Ciò significa che si comportano come particelle (piccole palline solide) e come onde (onde sull'acqua). Questa dualità onda-particella consente agli scienziati di effettuare misurazioni di straordinaria precisione.

Nello specifico, a queste temperature, anche gli atomi di rubidio si muovono più lentamente e in modo più regolare. Usando i laser, gli scienziati possono raffreddarli ulteriormente e manipolare i loro movimenti con estrema precisione. Questi laser creano un ambiente controllato in cui gli atomi possono essere osservati e misurati con grande precisione.

L’accelerometro della bussola quantistica funziona principalmente monitorando i cambiamenti nelle proprietà degli atomi di rubidio mentre si muovono. Questi piccoli cambiamenti vengono registrati e analizzati per determinare con precisione i movimenti del dispositivo.

Combinando i dati sui movimenti degli atomi e il punto di partenza noto del dispositivo, i ricercatori possono quindi calcolare esattamente dove si trova la bussola quantistica in un dato momento. Ciò avviene attraverso una serie di calcoli complessi che tengono conto dei cambiamenti nelle proprietà degli atomi derivanti dai movimenti del dispositivo.

Quali sono i vantaggi?

I vantaggi di questa tecnologia sono molteplici. Utilizzando le proprietà quantistiche, la bussola può fornire una precisione molto più elevata rispetto agli accelerometri tradizionali. Inoltre, poiché non si basa su segnali esterni come il GPS, funziona in modo affidabile in ambienti in cui i sistemi di navigazione tradizionali falliscono, come sott'acqua o nei tunnel sotterranei.

Questa indipendenza dai segnali esterni significa che gli utenti possono essere sicuri di determinare la propria posizione, senza timore di interferenze o perdita di segnale. Ciò potrebbe rivoluzionare settori come la navigazione marittima, l’esplorazione sotterranea e persino le applicazioni militari in cui l’affidabilità è fondamentale.

Test sulla metropolitana di Londra

Test di laboratorio hanno già dimostrato che una bussola quantistica può funzionare con elevata precisione. Tuttavia, affinché questa tecnologia diventi uno strumento pratico e affidabile, deve essere testata in condizioni reali. Nell’ambito dell’ultimo lavoro, i ricercatori dell’Imperial College hanno scelto di testare la loro bussola quantistica in un luogo insolito ma ideale: la metropolitana di Londra.

I tunnel della metropolitana forniscono già un ambiente ideale per testare l’affidabilità e la precisione di una bussola quantistica in condizioni difficili, simili a quelle che potresti incontrare nelle applicazioni reali. La struttura, con le sue numerose svolte, sali e scendi, fornisce anche un ambiente complesso e vario per i test. Testando Compass in questo ambiente, il team può quindi identificare e risolvere potenziali problemi prima di sviluppare un dispositivo mobile autonomo.

I test iniziano con il trasporto delle apparecchiature nei treni di prova sui binari della metropolitana e non sui servizi passeggeri per evitare interferenze con i passeggeri. Nel cuore della macchina è installata una camera a vuoto in acciaio inossidabile, contenente alcuni miliardi di atomi di rubidio. Potenti laser raffreddano questi atomi fino a una frazione di grado sopra lo zero assoluto.

In queste condizioni, le proprietà ondulatorie degli atomi di rubidio sono influenzate dall'accelerazione del veicolo che trasporta l'attrezzatura. Misurando questi piccoli cambiamenti, il team può quindi determinare con precisione i movimenti della bussola quantistica.

Sistema di navigazione quantistica su una metropolitana di Londra. Crediti: Imperial College di Londra

Testando la tecnologia sulla metropolitana di Londra, il team dell'Imperial College spera di dimostrarne l'affidabilità e la precisione, aprendo la strada alla creazione di un dispositivo indossabile autonomo in grado di determinare con precisione la sua posizione in ambienti complessi e remoti. Le applicazioni future sono diverse, dalla navigazione subacquea all’esplorazione spaziale.

fonte : custode