Kvanttikompassi () tarkoittaa yleensä kvanttitekniikkaan perustuvaa inertiasuunnistusjärjestelmää tai sen osaa, joka arvioi sijaintinsa mittaamalla omaa liikettään suhteessa tunnettuun lähtöpaikkaan. Nimestään huolimatta se ei tavallisesti tarkoita magneettikompassia, joka osoittaa pohjoiseen, vaan laitetta, joka mittaa kiihtyvyyttä ja pyörimisliikettä ilman jatkuvaa yhteyttä ulkoisiin paikannussignaaleihin.
Perinteiset inertiasuunnistusjärjestelmät käyttävät yleensä kiihtyvyysmittareita ja gyroskooppeja. Kvanttikompassissa vastaavia suureita pyritään mittaamaan kvanttitekniikkaan perustuvilla antureilla, kuten atomi-interferometriaan perustuvilla mittalaitteilla. Tavoitteena on vähentää inertiasuunnistuksessa syntyvää virheiden kasautumista, joka heikentää paikannuksen tarkkuutta ajan kuluessa.
Toimintaperiaate
Kvanttikompassin toiminta perustuu atomien hyvin tarkkaan mittaamiseen. Keskeinen mittaustapa on atomi-interferometria, jossa atomien aaltoluonnetta hyödynnetään kiihtyvyyden tai pyörimisliikkeen havaitsemiseen. Atomi-interferometriassa atomien aaltomaisia tiloja voidaan ohjata esimerkiksi lasersäteillä niin, että eri reittejä vastaavat tilat yhdistetään uudelleen. Laitteen kiihtyvyys tai pyörimisliike muuttaa näiden tilojen välistä vaihe-eroa, mikä näkyy interferenssikuviossa. Näistä muutoksista voidaan päätellä laitteen kokemia liikkeitä.
Tällainen mittaus voi toimia osana inertiasuunnistusjärjestelmää. Jos laitteen lähtöpaikka tunnetaan, sen myöhempi sijainti voidaan arvioida mittaamalla jatkuvasti, miten laite kiihtyy, hidastuu ja muuttaa suuntaansa. Kun nämä mittaukset yhdistetään ajan kuluessa, voidaan laskea laitteen sijainnin muutos suhteessa lähtöpaikkaan. Menetelmä ei siksi edellytä jatkuvaa yhteyttä satelliittipaikannukseen, radiosignaaleihin tai muihin ulkoisiin paikannusjärjestelmiin.
Kehitys ja kokeet
Kvanttikompassia on kehitetty erityisesti tilanteisiin, joissa satelliittipaikannus ei ole luotettavasti käytettävissä, kuten vedenalaisessa navigoinnissa, maanalaisissa tiloissa ja radiohäirinnälle alttiissa ympäristöissä.
Vuonna 2011 atomi-interferometriaa käytettiin kiihtyvyyden mittaamiseen Airbus A300 -lentokoneessa tehdyssä kokeessa.
Yhdysvaltain DARPA on rahoittanut satelliittipaikannuksesta riippumattomia paikannus-, navigointi- ja ajanmääritystekniikoita. Myös Yhdistyneen kuningaskunnan puolustusministeriö on tukenut kylmiin atomeihin perustuvan navigointitekniikan kehittämistä.
Vuonna 2024 kvanttinavigointiin liittyviä kylmäatomi- ja atomi-interferometriatekniikoita kokeiltiin myös laboratorioiden ulkopuolisissa ympäristöissä. Imperial College Londonin tutkijat testasivat kvanttiantureita Lontoon metrossa, ja Sandia National Laboratoriesin tiedotteen mukaan piifotoniikan mikrosirukomponentteja koskeva tutkimus voisi edistää pienempien kvanttianturien kehittämistä. Tuloksia on esitetty askelina kohti käytännöllisempiä navigointisovelluksia, mutta ne eivät vielä yksin osoita valmiin kvanttikompassin laajaa käyttöönottoa.
Satelliiteista riippumattomista kvanttipaikannusjärjestelmistä on käytetty englanniksi myös nimitystä quantum positioning system eli QPS.
Hyödyt ja rajoitteet
Kvanttikompassin mahdollinen hyöty on siinä, että se voisi täydentää satelliittipaikannusta tai toimia vaihtoehtoisena paikannusmenetelmänä joissakin ympäristöissä, joissa GPS:n tai muiden satelliittinavigointijärjestelmien signaali ei ole käytettävissä tai on epäluotettava. Tekniikka ei kuitenkaan poista inertiasuunnistuksen perusongelmaa kokonaan. Koska sijainti lasketaan laitteen omista liikemittauksista, pienetkin mittausvirheet voivat kasautua ajan mittaan suuremmiksi sijaintivirheiksi.
Kvanttianturit voivat vähentää tätä virheenkertymää, mutta käytännöllisten järjestelmien kehittämistä rajoittavat edelleen muun muassa laitteiston koko ja toiminta todellisissa käyttöympäristöissä.
Termin muu käyttö
Sanaa kvanttikompassi käytetään myös eri merkityksessä biologian ja biofysiikan yhteydessä. Tällöin sillä voidaan viitata hypoteeseihin, joiden mukaan muuttolintujen tai muiden eläinten magneettiaisti perustuisi kvanttimekaanisiin ilmiöihin. Tunnettu esimerkki on radikaaliparimekanismiin perustuva malli, jossa valolle herkät molekyylit voisivat vaikuttaa eläimen kykyyn havaita Maan magneettikenttää.
Toisin kuin tekninen kvanttikompassi, biologinen kvanttikompassi on mahdollinen luonnollinen aistimekanismi eikä ihmisen rakentama inertiasuunnistuslaite.
Lähteet
Luokka:Navigointi Luokka:Kvanttimekaniikka Luokka:Mittalaitteet