Последние двадцать лет система GPS так плотно вошла в нашу жизнь, что мы перестали ее замечать. Она работает в смартфонах и самолетах, помогает биржам и энергосетям синхронизироваться, и даже спасатели не обходятся без нее. Мы привыкли, что она всегда есть, как электричество в розетке.

Но у этой системы ахиллесова пята, и она гораздо уязвимее, чем кажется. Конфликты по всему миру вскрыли эту проблему: нашлись умельцы, которые научились этим пользоваться. Речь про глушение и подмену сигнала GPS. Это когда сигнал либо просто блокируют, либо подменяют фальшивым, чтобы обмануть приемник.

За последние годы такая проблема встала особенно остро. Только за прошлый, 2024 год, больше тысячи коммерческих рейсов ежедневно сталкивались с подменой сигнала. Особенно «горячими точками» оказались Ближний Восток и Восточная Европа. Пилот смотрит на приборы, а они показывают, что самолет летит выше или ниже, чем на самом деле, или вообще сообщают, что они находятся за много километров от реального маршрута. На море дело доходит до маразма — корабли сбивались с курса и даже садились на мель из-за поддельных сигналов. Это не глюки техники, это уже полноценная электронная война.

Хорошая новость в том, что физики и инженеры, кажется, нашли противоядие. Они разрабатывают квантовые сенсоры, которым не нужны спутниковые сигналы. Прототипы уже тестируют. Например, над этим работают партнеры Чикагского центра квантовых технологий (Chicago Quantum Exchange) — такие гиганты, как Boeing, и высокотехнологичные компании Infleqtion и SandboxAQ.

Кен Дивайн, который руководит разработкой квантовой навигации в SandboxAQ, говорит прямо:

Правительства и бизнес отчаянно нуждаются в этой штуке. Посмотрите, что творится в мире. Все друг друга глушат, и это надолго. Все говорят нам: «Дайте нам это, вчера уже было нужно».

Еще в мае 2023 года SandboxAQ начали летные испытания для ВВС США и гражданских авиакомпаний. А в 2024-м Boeing сделал историческую вещь: они впервые в мире подняли в воздух самолет, который летел четыре часа над центральной частью США вообще без GPS, полагаясь сразу на несколько квантовых навигаторов. В том полете использовали две разные технологии: систему AQNav от SandboxAQ, которая ориентируется по магнитному полю Земли, и инерциальную систему от компании AOSense, работающую на квантовых датчиках.

Кейтлин Карнахан, вице-президент Infleqtion, тоже разрабатывающей такие штуки, считает, что главное тут не просто улучшить старые инерциальные системы.

Квантовая навигация — это новый подход к самой задаче ориентирования. Это новый инструмент, который позволит нам меньше зависеть от GPS и забыть про глушилки и обманки.

Как это работает: два новых принципа

Люди всегда как-то ориентируются. Раньше смотрели на звезды или горы. GPS делает то же самое, только его спутники — это те же ориентиры, просто они очень быстро и очень предсказуемо движутся. Но есть и другие способы не заблудиться.

Первый — инерциальная навигация. Ты просто идешь от точки старта и считаешь шаги и повороты. Если знаешь, где начал, и очень точно помнишь каждое движение, всегда поймешь, где ты сейчас.
Второй — сверка с картой. Ты смотришь на рельеф местности и узнаешь места. Идешь по холмам и оврагам и понимаешь: «Ага, вот тут я уже был, на карте это вот то место».

Квантовая навигация использует эти же два принципа. Только считает она не шаги, а ускорения с точностью до фемтометра (это меньше атома!). А вместо карты холмов использует карту магнитного поля Земли.

В полете Boeing как раз и проверили оба подхода: инерциальный от AOSense и магнитный от SandboxAQ. Инженер Boeing Джей Лоуэлл говорит, что им важно понять, могут ли эти технологии работать в паре, помогая друг другу. Вдруг одна дает сбой, а другая в этот момент, наоборот, показывает себя отлично. Суммарные данные могут оказаться точнее, чем поодиночке.

Как ловят квантовые изменения

Инерциальная навигация строится на акселерометрах и гироскопах. Они чувствуют любое ускорение и любой поворот. Обычные акселерометры есть в каждом телефоне или фитнес-браслете. Но квантовые датчики — это совсем другая лига. Они засекают изменения в миллион раз меньше. Такая точность нужна, например, в космосе, где нет ни дорог, ни ориентиров.

Infleqtion как раз недавно провела испытания такой системы в Великобритании и теперь готовится к тестам в США. В их чикагском офисе еще и создают софт с искусственным интеллектом под названием SAPIENT. Эта штука недавно выиграла армейский конкурс. Пранав Гокхейл, их руководитель по вычислениям, объясняет:

SAPIENT собирает данные со всех датчиков и с помощью ИИ склеивает их в четкую картину. Сам по себе измеритель — это еще не готовая навигационная система. ИИ помогает превратить одно в другое.

Магнитная навигация (MagNav) работает иначе. Самолет, как птица (ученые считают, что птицы чувствуют магнитное поле), ощущает малейшие изменения магнитного поля Земли. Где-то под землей залегают особые породы, руда, или просто стоит железный завод — все это создает微小 аномалии. Датчик ловит эти колебания и сверяет их с магнитной картой местности. Такие карты часто составляют геологи, когда ищут нефть или газ. Правда, проблема в том, что не на все районы есть подробные карты.

Кен Дивайн из SandboxAQ уточняет, что качество карты — это главный фактор успеха. Важен и тип самолета, и высота, и скорость. Но, несмотря на сложности, спрос на такие системы будет только расти.

Мы уже доказали, что можем навигироваться в реальном времени с помощью этой технологии. А потребность в ней будет только увеличиваться, — заключает он.

Если эти технологии доведут до ума, жизнь может измениться довольно сильно. Для науки это огромный толчок: чтобы сделать сверхточный квантовый датчик компактным и надежным для установки на обычный Боинг, придется решить кучу инженерных задач. Это подстегнет физику, материаловедение и микроэлектронику.

В реальной жизни польза очевидна. Представьте, что отключили GPS не из-за военных действий, а из-за мощной солнечной вспышки, которая вывела спутники из строя. Без квантовой навигации самолеты пришлось бы сажать «вслепую», а это катастрофа. С ней они спокойно долетят. Или возьмем беспилотники, которые доставляют посылки или работают в полях: в городе или лесу сигнал может теряться или его могут заглушить хулиганы. Квантовый навигатор позволит им не врезаться в дерево, а спокойно довезти груз. Для нас с вами это в перспективе означает, что любая техника будет просто надежнее.

Текст создает ощущение, что решение уже почти у нас в кармане, но это не совсем так. Во-первых, остается открытым вопрос размера и стоимости. Сейчас эти квантовые сенсоры часто занимают половину лаборатории и стоят бешеных денег. Запихнуть их в смартфон или даже в кабину пилота так, чтобы они не увеличили вес самолета в два раза, — задача титаническая.

Во-вторых, магнитная навигация (MagNav) сильно завязана на наличие подробных карт. А если самолет летит над океаном или малоизученной территорией, где карты нет или она секретная? Тогда этот метод просто не сработает, и придется полагаться только на инерциальную систему, которая, хоть и точная, но со временем все равно накапливает ошибку. Получается, что универсальной таблетки пока нет, и в разных условиях придется использовать разные «костыли».

Ранее ученые выяснили, сколько спутников требуется для точной навигации.