La navigazione quantistica potrebbe risolvere il problema delle interferenze GPS nell’ambito militare

L’aumento della vulnerabilità del GPS sta portando alla ribalta strumenti di navigazione più resistenti, basati sugli atomi.

Alla fine di settembre, un aereo militare spagnolo che trasportava il ministro della difesa del paese verso una base in Lituania sarebbe stato oggetto di un attacco, non con razzi o proiettili antiaerei, ma con trasmissioni radio che hanno disturbato il suo sistema GPS.

Il volo è atterrato in sicurezza, ma è stato uno dei migliaia che sono stati colpiti da una vasta campagna russa di interferenze GPS dall’invasione dell’Ucraina nel 2022. I crescenti disagi per il traffico aereo e il rischio di un vero e proprio disastro hanno messo in evidenza la vulnerabilità del GPS e hanno focalizzato l’attenzione su modi più sicuri per gli aerei di navigare tra le interferenze e lo spoofing, il termine che indica l’inganno di un ricevitore GPS facendogli credere di trovarsi in un altro luogo.

Gli appaltatori militari statunitensi stanno lanciando nuovi satelliti GPS che utilizzano segnali più forti e intelligenti, mentre gli ingegneri stanno lavorando per fornire informazioni di navigazione migliori basate su altre fonti, come le trasmissioni cellulari e i dati visivi.

Ma un altro approccio che sta emergendo dai laboratori è la navigazione quantistica: sfruttare la natura quantistica della luce e degli atomi per costruire sensori ultrasensibili che consentano ai veicoli di navigare in modo indipendente, senza dipendere dai satelliti. Man mano che le interferenze GPS diventano un problema sempre più grave, la ricerca sulla navigazione quantistica sta facendo passi da gigante, con molti ricercatori e aziende che ora si affrettano a testare nuovi dispositivi e tecniche. Negli ultimi mesi, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) degli Stati Uniti e la sua Defense Innovation Unit hanno annunciato nuovi finanziamenti per testare la tecnologia sui veicoli militari e prepararsi al suo impiego operativo.

Monitoraggio dei cambiamenti

Forse il modo più ovvio per navigare è sapere da dove si è partiti e poi tracciare dove si va registrando la velocità, la direzione e la durata del viaggio. Ma mentre questo approccio, noto nel settore come navigazione inerziale, è concettualmente semplice, è difficile da realizzare bene; piccole incertezze in una qualsiasi di queste misurazioni si accumulano nel tempo e portano a grandi errori in seguito. Douglas Paul, ricercatore principale dell’Hub for Quantum Enabled Precision, Navigation & Timing (QEPNT) del Regno Unito, afferma che i dispositivi di navigazione inerziale specializzati esistenti potrebbero avere uno scarto di 20 chilometri dopo 100 ore di viaggio. Nel frattempo, i sensori economici comunemente utilizzati negli smartphone producono un livello di incertezza più che doppio dopo solo un’ora.

“Se si sta guidando un missile che vola per un minuto, questo potrebbe essere sufficiente”, afferma. “Se ci si trova su un aereo di linea, non è sicuramente sufficiente”.

Una versione più accurata della navigazione inerziale utilizza invece sensori che si basano sul comportamento quantistico delle particelle subatomiche per misurare con maggiore precisione l’accelerazione, la direzione e il tempo.

Diverse aziende, come la statunitense Infleqtion, stanno sviluppando giroscopi quantistici, che tracciano la posizione di un veicolo, e accelerometri quantistici, che possono rivelare la distanza percorsa. I sensori di Infleqtion si basano su una tecnica chiamata interferometria atomica: un fascio di atomi di rubidio viene colpito da impulsi laser precisi, che dividono gli atomi in due percorsi separati. Successivamente, altri impulsi laser ricombinano gli atomi, che vengono misurati con un rilevatore. Se il veicolo ha svoltato o accelerato mentre gli atomi sono in movimento, i due percorsi saranno leggermente sfasati in modo tale da poter essere interpretati dal rilevatore.

L’anno scorso l’azienda ha testato questi sensori inerziali su un aereo personalizzato che volava in un sito di prova militare britannico. Nell’ottobre di quest’anno, Infleqtion ha eseguito il suo primo test reale di una nuova generazione di sensori inerziali che utilizzano un flusso costante di atomi invece di impulsi, consentendo una navigazione continua ed evitando lunghi tempi morti.

Infleqtion dispone anche di un orologio atomico, chiamato Tiqker, che può aiutare a determinare la distanza percorsa da un veicolo. Si tratta di una sorta di orologio ottico che utilizza laser a infrarossi sintonizzati su una frequenza specifica per eccitare gli elettroni nel rubidio, che poi rilasciano fotoni a una velocità costante e nota. Il dispositivo “perderà un secondo ogni 2 milioni di anni circa”, afferma Max Perez, che supervisiona il progetto, e può essere inserito in un rack standard per apparecchiature elettroniche. Ha superato i test sui voli nel Regno Unito, sui veicoli terrestri dell’esercito statunitense nel New Mexico e, alla fine di ottobre, su un sottomarino drone.

“Tiqker ha funzionato perfettamente in queste condizioni, cosa inaudita per le precedenti generazioni di orologi ottici”, afferma Perez. Alla fine, l’azienda spera di rendere l’unità più piccola e più robusta passando a laser generati da microchip.

Campi magnetici

I veicoli privi di navigazione satellitare non sono completamente abbandonati a se stessi: possono ottenere indizi utili dai campi magnetici e gravitazionali che circondano il pianeta. Questi campi variano leggermente a seconda della posizione e le variazioni, o anomalie, sono registrate in varie mappe. Misurando con precisione il campo magnetico o gravitazionale locale e confrontando tali valori con le mappe delle anomalie, i sistemi di navigazione quantistica possono tracciare la posizione di un veicolo.

Allison Kealy, ricercatrice di navigazione presso la Swinburne University in Australia, sta lavorando all’hardware necessario per questo approccio. Il suo team utilizza un materiale chiamato diamante con lacune di azoto. Nei diamanti NV, un atomo di carbonio nel reticolo è sostituito da un atomo di azoto e un atomo di carbonio adiacente viene rimosso completamente. Lo stato quantistico degli elettroni nel difetto NV è molto sensibile ai campi magnetici. Stimolando con attenzione gli elettroni e osservando la luce che emettono, è possibile misurare con precisione l’intensità del campo nella posizione del diamante, consentendo di dedurre dove si trova sul globo. Kealy afferma che questi magnetometri quantistici presentano alcuni grandi vantaggi rispetto a quelli tradizionali, tra cui il fatto che misurano la direzione del campo magnetico terrestre oltre alla sua intensità. Queste informazioni aggiuntive potrebbero facilitare la determinazione della posizione.

La tecnologia è ancora lontana dall’implementazione commerciale, ma Kealy e diversi colleghi hanno testato con successo il loro magnetometro in una serie di voli in Australia alla fine dello scorso anno e hanno in programma di effettuare ulteriori prove quest’anno e il prossimo. “È qui che le cose si fanno interessanti, poiché passiamo dai modelli teorici e dagli esperimenti controllati ai sistemi operativi sul campo”, afferma. “Si tratta di un importante passo avanti”.

Sistemi delicati

Altri team, come Q-CTRL, un’azienda australiana di tecnologia quantistica, si stanno concentrando sull’uso di software per costruire sistemi robusti a partire da sensori quantistici rumorosi. La navigazione quantistica implica l’utilizzo di sensori delicati, messi a punto nelle condizioni tranquille di un laboratorio, e il loro inserimento in veicoli che effettuano curve brusche, rimbalzano a causa delle turbolenze e ondeggiano con le onde, tutti fattori che interferiscono con il funzionamento dei sensori. Anche i veicoli stessi presentano dei problemi per i magnetometri, in particolare “il fatto che l’aereo sia fatto di metallo, con tutti questi cavi”, afferma Michael Biercuk, CEO di Q-CTRL. “Di solito c’è da 100 a 1.000 volte più rumore che segnale”.

Dopo che gli ingegneri di Q-CTRL hanno testato il loro sistema di navigazione magnetica in un Cessna appositamente attrezzato lo scorso anno, hanno utilizzato l’apprendimento automatico per esaminare i dati e cercare di separare il segnale da tutto il rumore. Alla fine hanno scoperto che potevano tracciare la posizione dell’aereo con una precisione fino a 94 volte superiore a quella di un sistema di navigazione inerziale convenzionale di livello strategico, secondo Biercuk. Hanno annunciato i loro risultati in un articolo non sottoposto a revisione paritaria la scorsa primavera.

Ad agosto Q-CTRL ha ricevuto due contratti dalla DARPA per sviluppare il suo prodotto di navigazione magnetica “software-ruggedized”, denominato Ironstone Opal, per applicazioni di difesa. L’azienda sta inoltre testando la tecnologia con partner commerciali, tra cui gli appaltatori della difesa Northrop Grumman e Lockheed Martin e Airbus, un produttore aerospaziale.

“Northrop Grumman sta collaborando con Q-CTRL per sviluppare un sistema di navigazione magnetica in grado di resistere alle sollecitazioni fisiche del mondo reale”, afferma Michael S. Larsen, architetto di sistemi quantistici dell’azienda. “Tecnologie come la navigazione magnetica e altri sensori quantistici sbloccheranno capacità di guida anche in ambienti in cui il GPS è assente o degradato”.

Ora Q-CTRL sta lavorando per inserire Ironstone Opal in un contenitore più piccolo e resistente, adatto all’implementazione; “La prima implementazione di Ironstone Opal è stata, e sembrava, un esperimento scientifico”, afferma Biercuk. Prevede di consegnare le prime unità commerciali il prossimo anno.

Fusione dei sensori

Anche se la navigazione quantistica sta emergendo come valida alternativa alla navigazione satellitare, i satelliti stessi stanno migliorando. I moderni satelliti GPS III includono nuovi segnali civili chiamati L1C e L5, che dovrebbero essere più precisi e più difficili da disturbare e falsificare rispetto ai segnali attuali. Entrambi dovrebbero essere pienamente operativi entro la fine di questo decennio.

Gli utenti militari statunitensi e alleati dovrebbero avere accesso a strumenti GPS molto più resistenti, tra cui l’M-code, una nuova forma di segnale GPS attualmente in fase di implementazione, e la Regional Military Protection, un fascio GPS mirato che sarà limitato a piccole aree geografiche. Quest’ultimo sarà disponibile quando la generazione di satelliti GPS IIIF sarà in orbita, con il primo lancio previsto per il 2027. Un portavoce della Lockheed Martin afferma che i nuovi satelliti GPS con codice M sono otto volte più potenti di quelli precedenti, mentre il modello GPS IIIF sarà 60 volte più potente.

Altri piani prevedono l’utilizzo di satelliti di navigazione in orbita terrestre bassa, la zona occupata dalla costellazione Starlink di SpaceX che fornisce servizi Internet, piuttosto che l’orbita terrestre media utilizzata dal GPS. Poiché gli oggetti in LEO sono più vicini alla Terra, i loro segnali sono più forti, il che li rende più difficili da disturbare e falsificare. I satelliti LEO transitano anche più rapidamente nel cielo, il che li rende ancora più difficili da falsificare e aiuta i ricevitori GPS a bloccare più rapidamente la loro posizione. “Questo aiuta davvero la convergenza del segnale”, afferma Lotfi Massarweh, ricercatore di navigazione satellitare presso l’Università Tecnica di Delft, nei Paesi Bassi. “Possono ottenere una buona posizione in pochi minuti. Si tratta quindi di un enorme passo avanti”.

In definitiva, afferma Massarweh, la navigazione non dipenderà solo dai satelliti, dai sensori quantistici o da qualsiasi altra singola tecnologia, ma dalla combinazione di tutte queste tecnologie. “Bisogna pensare sempre in termini di fusione dei sensori”, afferma.

Le risorse di navigazione utilizzate da un veicolo cambieranno a seconda dell’ambiente in cui si trova, che si tratti di un aereo di linea, di un sottomarino o di un’auto a guida autonoma in un canyon urbano. Ma la navigazione quantistica sarà una risorsa importante. Egli afferma: “Se la tecnologia quantistica offre davvero ciò che vediamo nella letteratura, se è stabile per una settimana anziché per decine di minuti, a quel punto sarà una vera e propria rivoluzione”.

Foto di copertina: la Royal Navy ha collaborato con Infleqtion per testare un orologio quantistico sul sottomarino senza equipaggio XV Excalibur. Per gentile concessione della Royal Navy.