De weg vinden zonder satellieten wordt steeds belangrijker. Met quantumtechnologie kan het

Het werkte mooi zolang het duurde. Dankzij satellietnavigatiesystemen zoals gps en het Europese Galileo kon je overal ter wereld precies zien waar je was. Maar al vóór de Russische invasie van Oekraïne werd die zekerheid minder vanzelfsprekend: steeds vaker wordt het gps-signaal verstoord. Op gpsjam.org, een website die navigatieverstoringen van verkeersvliegtuigen in kaart brengt, kleuren de Baltische staten, Oost-Polen en het zuiden van Finland vaker wel dan niet rood. Op de slagvelden in Oekraïne is het ‘jammen’ (storen) en ‘spoofen’ (nabootsten) van gps-signalen inmiddels standaard, waardoor de precisie van ‘slimme’ munitie en bommen niet meer vanzelfsprekend is.

„Deze afhankelijkheid van satellietnavigatie-technologie is een fundamentele kwetsbaarheid van elke samenleving”, schrijft een onderzoeker van een TNO-vestiging gericht op defensietechnologie. Met collega’s publiceerde hij een artikel over nieuwe navigatietechnieken gebaseerd op de principes van de quantummechanica.

Quantumsensoren bieden zicht op compacte, betrouwbare, autonome navigatiesystemen, onafhankelijk van signalen van buiten. Zo’n „hypothetisch quantumnavigatiesysteem” heeft potentieel „veel betere prestaties dan klassieke systemen”, schrijven de onderzoekers, in antwoord op vragen van deze krant. Vanwege defensietoepassingen mochten de onderzoekers vragen alleen schriftelijk beantwoorden, en mocht de naam van de onderzoeker niet genoemd worden.

Lasergyroscopen

Voor de goede orde: autonome navigatiesystemen bestaan al eeuwen. Zeelieden bepaalden hun positie met ‘gegist bestek’: als je netjes bijhoudt hoe lang je met welke snelheid in welke richting vaart, heb je een aardig idee van je locatie. Moderne schepen, onderzeeërs, vliegtuigen en raketten beschikken over inertiaalnavigatiesystemen: combinaties van accelerometers die versnellingen detecteren, en gyroscopen voor draaiingen. Door versnellingen in de loop van de tijd bij elkaar op te tellen, te ‘integreren’, kun je de snelheid uitrekenen, en door de snelheid ook weer te integreren, rekening houdend met de bewegingsrichting, kun je je positie uitrekenen.

Het is een precieze versie van wat een ontvoeringsslachtoffer in de kofferbak wanhopig probeert: door de manier waarop alle bochten en versnellingen hem heen en weer slingeren, voelen waar hij heen gereden wordt.

Waar vroeger rotaties werden bijgehouden met een gyrokompas, een snel draaiende tol die in dezelfde richting blijft tollen, zijn er nu lasergyroscopen: een bundel laserlicht wordt gesplitst in twee bundels. Die worden zowel linksom als rechtsom door een ring gestuurd.

Licht bestaat uit golven, en op het punt waar de twee bundels elkaar weer ontmoeten, kunnen de golven elkaar versterken, of elkaar juist uitdoven. Dit verschijnsel, interferentie, is extreem afhankelijk van kleine lengteverschillen tussen de twee routes die het licht neemt. Daardoor kan een lasergyroscoop ook kleine draaiingen gemakkelijk detecteren. Voor een inertiaalnavigatiesysteem zijn drie van zulke gyroscopen nodig, voor de drie draai-assen, en drie versnellingsmeters.

Een robotonderzeeërtje van TNO zat er 40 centimeter naast

Een compacte versie van zo’n systeem testte TNO in 2022 in een mini-onderzeeër in de haven van Scheveningen. Onder water zijn gps-signalen van satellieten niet te ontvangen, en autonoom navigerende robotonderzeeërs hebben dan ook civiele toepassingen: het inspecteren van pijpleidingen, onderwaterkabels of windmolenparken. BlueROV2, een commercieel verkrijgbaar robotonderzeeërtje, uitgerust met algoritmes die TNO voor inertiaalnavigatie ontwikkelde, voer ruim vijf minuten een voorgeprogrammeerd zigzagpatroon van ruim 100 meter. Aan het eind zat BlueROV2 er met zijn positieschatting zo’n 40 centimeter naast.

Geen slechte prestatie, maar wel een onvermijdelijke bijwerking: door de dubbele integratie tellen kleine foutjes in de metingen snel op, een verschijnsel dat ‘drift’ genoemd wordt. Ook grote onderzeeërs, met zwaardere, duurdere en preciezere inertiaalnavigatiesystemen, lopen drift op, en moeten regelmatig hun positie herijken, bijvoorbeeld door even boven te komen en een gps-peiling te schieten.

Rondom conflictgebieden worden gps-signalen vaak verstoord

Steeds grotere precisie

Dat is nu precies waar quantumtechnologie, een ontwikkeling die zich tot nog toe vooral in laboratoria afspeelt, verandering in zou kunnen brengen. Natuurkundigen kunnen met steeds grotere precisie de quantummechanische eigenschappen van afzonderlijke atomen en elektronen meten en manipuleren. Veel krantenkoppen gaan daarbij over de quantumcomputer, die de quantummechanische wetten uitbuit om specifieke berekeningen extreem snel uit te voeren. Maar waar quantumcomputers nog ver in de toekomst liggen, betreden de eerste navigatiesystemen met quantumsensoren nu al de echte wereld.

In ‘koude atoom-interferometers’ worden minuscule, ultrakoude wolkjes van rubidium-atomen gemaakt die samensmelten tot één quantummechanisch ‘superatoom’. Zo’n zogenoemd Bose-Einstein-condensaat is pas in 1995 voor het eerst gemaakt, met een Nobelprijs in 2001 als beloning. Het bereiden ervan is inmiddels routine in natuurkundelabs wereldwijd.

In een koude-atoom-interferometer wordt zo’n wolkje met laserpulsen uit elkaar getrokken tot twee wolkjes die allebei enkele milliseconden in vrije val verkeren, en vervolgens weer met elkaar gecombineerd worden. Die hereniging geeft een quantummechanische vingerafdruk die extreem gevoelig is voor kleine verplaatsingen van de wolkjes in de tussentijd, en dus voor versnellingen van de interferometer als geheel.

Simon Templier van de universiteit van Bordeaux en collega’s bouwden met dat principe een quantumaccelerometer die de versnelling in drie assen meet met een precisie van tien miljoensten van de valversnelling, een forse verbetering ten opzichte van klassieke versnellingsmeters. Daarnaast is de quantumversie stabieler dan klassieke versnellingsmeters.

Het lab heeft deze installatie nog niet verlaten, maar Templier werkt ook bij het Franse bedrijf Ixblue, dat inertiaalnavigatiesystemen verkoopt aan onder andere scheepsbouwers en defensiebedrijven. De quantumversie is al te zien als indrukwekkende opstelling op beurzen en conferenties.

Al wel verkrijgbaar zijn quantumgebaseerde gravimeters, die precies en snel de plaatselijke zwaartekracht kunnen meten, natuurkundig gezien hetzelfde als een versnelling. Het bedrijf Muquans verkoopt een zwaartekrachtmeter met een precisie en stabiliteit in de orde van 1 microgalileo (de standaard zwaartekracht is 981 galileo). Met zulke gravimeters kunnen ondergrondse lava- of waterstromen in kaart gebracht worden, of concentraties van zware ertsen. Ben Stray van de universiteit van Birmingham en collega’s ontwierpen een verrijdbare koude-atoom-interferometer die variaties van de zwaartekracht precies genoeg in kaart bracht om een ondergrondse tunnel op een paar meter diepte te detecteren door de plaatselijk verminderde zwaartekracht.

„Gravimeters met atoom-interferometers zijn nu al goedkoper dan klassieke gravimeters”, zegt Clara Osorio Tamayo, een natuurkundige verbonden aan TNO’s Quantum Sensing Testbed, een laboratorium in Delft waar bedrijven en andere partners quantumsensoren kunnen testen. Maar koude-atoom-interferometers hebben altijd ultrakoude koeling nodig, iets dat heel compacte toepassingen lastig maakt, zegt ze. „En er zijn veel andere quantumsensorsystemen, met andere voordelen.”

Het Quantum Sensing Testbed is gespecialiseerd in een quantumsensor gebaseerd op diamant. Osorio Tamayo: „Diamant bestaat puur uit koolstofatomen, die allemaal aan elkaar vastzitten in een rooster. Maar als je dat kristal beschiet met stikstofatomen, wippen die er hier en daar een koolstof-atoom uit, dat wordt vervangen door een stikstofatoom.” Onder bepaalde omstandigheden verschijnt er naast zo’n stikstofatoom een lege plek in het kristalrooster.

Relatief geïsoleerd

Zo’n ‘NV-centrum’, zoals het in jargon heet, herbergt een elektron, een quantumdeeltje dat twee verschillende quantumniveas kan aannemen. Het is relatief geïsoleerd van zijn omgeving, en kan aangestuurd en uitgemeten worden met laserpulsen en radiostraling. „Het is bovendien gevoelig voor plaatselijke magnetische velden”, zegt Osorio Tamayo. „Het is een kleine, extreem gevoelige magnetometer, die het blijft doen tot 500 graden Celsius.”

In combinatie met een magnetisch veld kan zo’n NV-centrum ook rotaties detecteren, een essentieel onderdeel van ieder inertiaalnavigatiesysteem. „Je kunt het NV-centrum los laten draaien in een magneetveld”, zegt Osorio Tamayo, „of je kunt het aardmagnetisch veld gebruiken, dan is het een soort supercharged kompas.”

Helemaal autonoom is het navigatiesysteem dan niet meer, maar het aardmagneetveld is stabiel, en vrijwel onmogelijk op serieuze schaal te manipuleren. Bovendien, zegt Osorio Tamayo: „Ieder navigatiesysteem is altijd een combinatie van sensoren. Inertiaalsystemen, hoe goed ook, zullen altijd drift vertonen, dus je moet altijd een kaart hebben om je op te kunnen oriënteren.”

Kleine foutjes aan het begin zorgen op den duur in forse afwijkingen

Tot die conclusie komen ook de defensie-onderzoekers van TNO, die proberen te berekenen hoeveel beter inertiaalnavigatiesystemen kunnen worden met betere quantumsensoren. Want helemaal vanzelfsprekend is dat niet. „Foutbronnen, zoals kleine fouten in de beginstand- en positie, zijn in de praktijk vaak lastig en niet nauwkeurig genoeg te bepalen”, schrijft de onderzoeker.

De interne assen van een inertiaalnavigatiesysteem staan bijvoorbeeld nooit helemaal in een rechte hoek ten opzichte van elkaar – geen constructie is immers perfect. Door de dubbele integratie vertalen zulke foutjes zich op den duur in forse afwijkingen, hoe precies en ruisvrij de quantumdetectoren zijn.

Eén oplossing daarvoor is om aan het begin van de rit te werken met een dubbele boekhouding: de metingen van het inertiaalnavigatiesysteem worden gelegd naast die van een ander navigatiesysteem. Dat kan een satellietnavigatie zijn, maar voor een onderzeeër is dat dus niet bruikbaar. Daar kan een Doppler Velocity Log helpen: een meting ten opzichte van de zeebodem met hulp van sonar.

Door het quantumsysteem aan het begin van de rit zo in te regelen, kun je de prestaties genoeg verbeteren om de militaire inzetbaarheid te garanderen aan het eind van de rit, concluderen de onderzoekers, wanneer de gps gejamd wordt, of de sonar van de onderzeeër uit moet staan om detectie te voorkomen. Quantumnavigatie werkt dus wel, maar je moet het wel even op gang helpen.

Delen





Mail de redactie