Pesquisadores estão tornando ferramentas de detecção quântica mais compactas e precisas para substituir o GPS

A física fundamental — e muito menos a física quântica — pode parecer complicada para muitos, mas pode ser aplicada para resolver problemas cotidianos.

Imagine navegar para um lugar desconhecido. A maioria das pessoas sugeriria usar GPS, mas e se você estivesse preso em um túnel subterrâneo onde os sinais de rádio dos satélites não conseguissem penetrar? É aí que entram as ferramentas de detecção quântica.

Os pesquisadores Jonathan Habif e Justin Brown do Instituto de Ciências da Informação Viterbi da USC, ambos do novo Laboratório de Informação Quântica Limitada do ISI, estão trabalhando para tornar instrumentos de detecção, como acelerômetros atômicos, menores e mais precisos, para que possam ser usados ​​para navegar quando o GPS estiver inativo.

Enfrentando o enigma do tamanho

Átomos são excelentes em fazer medições precisas porque são todos iguais. Medições atômicas feitas em um laboratório seriam indistinguíveis daquelas feitas em outro laboratório, pois os átomos se comportam precisamente da mesma maneira.

Um exemplo de como esse conceito de física pode ser aplicado é criar um sistema de navegação altamente preciso com esses átomos.

“Como físico atômico, trabalho com átomos em um gás e falo com os átomos com lasers”, disse Brown. “Como os átomos têm massa, eles podem ser usados ​​para medir acelerações, nos ajudando a construir sensores baseados em átomos, como acelerômetros atômicos.”

Habif acrescentou: “Os acelerômetros permitem que você saiba o quão rápido e longe você está se movendo em uma determinada direção. Eles podem ser acoplados a giroscópios, que dizem se você mudou de direção e o quão longe você virou, para fazer uma medição completa. Esses instrumentos de navegação são úteis quando você não tem acesso ao GPS.”

Um dos desafios que eles estão enfrentando é como podem projetar isso de uma forma inteligente.

Por exemplo, eles têm que pensar muito cuidadosamente sobre como podem miniaturizar acelerômetros atômicos. Esses acelerômetros historicamente operaram em sistemas de grande escala laboratorial, onde o equipamento é pesado e consome muita energia. Para tornar os acelerômetros adequados para uso público, Habif e Brown estão investigando como manter sua alta precisão em um meio muito mais compacto, eficiente em termos de energia e atraente.

Brown disse: “Queremos levar isso para o campo e torná-lo menor ao mesmo tempo, mas as técnicas e suprimentos dos quais estamos extraindo não são muito propícios para isso ainda. Estou pensando em como falar com os átomos de uma maneira diferente para que possamos obter as capacidades de aplicá-lo a problemas fora do laboratório.”

Aplicações em defesa e adaptação ao mundo real

Os dispositivos de detecção quântica não só funcionam em áreas que não têm acesso ao GPS, como também podem fazer parte de um novo e interessante caminho: aplicações de segurança nacional.

“Os conflitos modernos estão se tornando cada vez mais eletrônicos e menos cinéticos, à medida que as nações competem pela superioridade da informação. O sinal de rádio dos satélites GPS é fácil de interromper e bloquear porque está muito distante. Assim, em qualquer conflito moderno, ambos os lados tentarão negar um ao outro o acesso a esses sinais de rádio”, disse Brown.

“Instrumentos de navegação mais tradicionais, como sistemas inerciais, são ininterruptos, pois funcionam adicionando acelerações e rotações para medir nossa mudança de posição. Então, eles podem substituir o GPS em tempos de conflito. No entanto, todos os erros cometidos também são somados, então estamos interessados ​​em usar uma medição baseada em átomos para garantir que seja mais precisa.”

Acelerômetros atômicos são um exemplo desses sistemas inerciais. Esses sistemas estão presentes em sensores em aeronaves e navios, guiando seus movimentos através de espaços aéreos e águas. No entanto, os sensores mecânicos existentes podem se desgastar facilmente devido ao atrito, levando-os a serem trocados todos os anos e custando muito dinheiro. Eles também são difíceis de construir porque são pequenos e delicados.

O Departamento de Defesa dos EUA (DoD) está buscando atualizações em seus sistemas inerciais para que essas dificuldades possam ser superadas. A abordagem quântica baseada em átomos buscada por Brown e outros grupos poderia fornecer medições de aceleração sem partes móveis.

“Por exemplo, se os submarinos querem ser furtivos e silenciosos em cenários de defesa, manter o controle do que eles estão fazendo e como eles se movem por meio de sistemas inerciais é praticamente a única opção. Estou desenvolvendo ideias para melhorar esses sistemas para o DoD, para que eles possam ser reduzidos e mais econômicos”, observou Brown.

Simplificando as ferramentas

Brown afirma que a detecção quântica será importante em muitas frentes.

“Preparar-se para uma surpresa técnica significa preparar-se para quando o GPS falhar — a questão não é se o GPS falha”, disse Brown. “É muito fácil impedir que o GPS funcione, então sensores inerciais sempre serão úteis. Mas ainda é vital para nós resolver o problema do tamanho, porque muitos desses sensores ainda acabam ficando do tamanho de uma máquina de lavar. Eu poderia simplificar a ferramenta em si, mas ainda preciso fazer uma boa medição.”

Alcançar esse equilíbrio entre simplicidade e precisão é o principal objetivo dos pesquisadores, e eles esperam que seus esforços se traduzam em protótipos do mundo real algum dia.