Το πιο κρύο μέρος στο σύμπαν

Η ομάδα Aquark στο HMS Pursuer. Πίστωση: Aquark

Μια βρετανική εταιρεία έφτασε σε θερμοκρασία μείον 273,149996°C χάρη στην κβαντική τεχνολογία που χρησιμοποιεί στο ατομικό της ρολόι, δημιουργώντας ουσιαστικά το πιο κρύο μέρος στο σύμπαν. Πρόκειται για μια λύση υψηλής τεχνολογίας για ένα παλιό πρόβλημα: την ακριβή πλοήγηση στη θάλασσα χωρίς την υποστήριξη δορυφορικών συστημάτων.

Ο Alexander Jantzen, συνιδρυτής και διευθύνων σύμβουλος της Aquark Technologies, εξηγεί: «Στις αρχές του 18ου αιώνα, η γνώση του γεωγραφικού πλάτους κατά την πλοήγηση γινόταν κατανοητή από καιρό μέσω της παρατήρησης της θέσης γνωστών μακρινών αστεριών πάνω από τον ορίζοντα, ωστόσο το γεωγραφικό μήκος ήταν ένα επικίνδυνο μυστήριο. Το πρόβλημα του γεωγραφικού μήκους προέρχεται από το γεγονός ότι ο πλανήτης μας περιστρέφεται και δεν έχουμε σταθερό σημείο αναφοράς για να συγκρίνουμε όταν βρισκόμαστε στη θάλασσα».

Η λύση σε αυτό το πρόβλημα ήρθε το 1735, όταν ο Τζον Χάρισον ανέπτυξε το πρώτο πρακτικό θαλάσσιο χρονόμετρο.

«Η λύση για την ακρίβεια πλοήγησης ήταν – και εξακολουθεί να είναι – η ακριβής χρονισμός», λέει ο Jantzen. «Ο Harrison έλυσε το πρόβλημα του γεωγραφικού μήκους, δείχνοντας πόσο ακριβής ήταν ο εντοπισμός θέσης με το χρονόμετρο (το πιο αξιόπιστο χρονομέτρη της εποχής του). Συνέκρινε την ώρα από μια γνωστή τοποθεσία – όπως από πού απέπλευσε το πλοίο – με την ώρα της ημέρας όπου βρισκόταν το πλοίο. Η γνώση της διαφοράς ώρας μεταξύ του πότε ήταν το μεσημέρι επέτρεπε στο πλοίο να γνωρίζει με ακρίβεια τη διαμήκη θέση του».

Μέχρι τη δεκαετία του 1980, τα συστήματα δορυφορικής πλοήγησης στο Παγκόσμιο Δορυφορικό Σύστημα Πλοήγησης (συμπεριλαμβανομένου του GPS) κατέστησαν τα χρονόμετρα σε μεγάλο βαθμό παρωχημένα για πρακτική πλοήγηση, επειδή τα χρονικά σήματα που απαιτούνταν για ακριβή πλοήγηση προέρχονταν κυρίως από ατομικά ρολόγια σε δορυφόρους GNSS.

Σε περίπτωση διακοπής του GNSS, τα ατομικά ρολόγια παρέχουν αξιόπιστη διατήρηση, παρέχοντας ένα σταθερό σήμα χρονισμού μέχρι να αποκατασταθεί η πρόσβαση στο GNSS, επειδή παρέχουν ένα εξαιρετικά ακριβές, αξιόπιστο και συνεχές τικ-τακ στο οποίο δεν μπορούν να παρέμβουν.

«Στη θάλασσα, η ανίχνευση πλαστογράφησης είναι τόσο καλή όσο η αναφορά χρονισμού σας. Τα συστήματα γέφυρας χρειάζονται κάτι που «τικτάρει» με ακρίβεια ως πηγή αναφοράς. Όταν όλα πάνε καλά, τα συστήματα θέσης γέφυρας, πλοήγησης και χρονισμού (PNT) ενός σκάφους θα έχουν τα ίδια «τικ» με ένα ατομικό ρολόι. Αλλά όταν ένας δέκτης GNSS πλαστογραφείται, ο χρονισμός του επιταχύνεται σε σχέση με το «τικ» αναφοράς, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε αναξιόπιστα δεδομένα εντοπισμού θέσης και επικίνδυνα σφάλματα πλοήγησης εάν η πλαστογράφηση δεν εντοπιστεί», λέει ο Jantzen.

«Η ανθεκτικότητα PNT μπορεί να επιτευχθεί όταν το σύστημα ανιχνεύσει ένα κενό μεταξύ των τικ του ατομικού ρολογιού και του GNSS. Το σύστημα μπορεί να μεταβεί στο σήμα ώρας του ατομικού ρολογιού κατά την πλαστογράφηση και θα επιστρέψει στο GNSS όταν κλείσει το κενό χρονομέτρησης.»

«Τα καλύτερα συστήματα ακριβούς χρονισμού σήμερα μετρούν τις φυσικές και σταθερές ιδιότητες συχνότητας των ατόμων, όπως ορίζονται από την κβαντομηχανική, και τις χρησιμοποιούν για να διορθώσουν τις μετατοπίσεις από ένα αναμενόμενο σημείο, συνήθως έναν ταλαντωτή 10 MHz», λέει ο Jantzen. «Για να επιτευχθεί η υψηλότερη ακρίβεια, πρέπει να έχετε πρόσβαση στο άτομο ανενόχλητο για όσο το δυνατόν περισσότερο χρόνο, ώστε να αφαιρεθεί ο θόρυβος και να υπολογιστούν οι τυχαίες μεταβολές κατά μέσο όρο. Στην Aquark, το κάνουμε αυτό ψύχοντας με λέιζερ τα άτομα κοντά στο απόλυτο μηδέν».

Στην ακραία θερμοκρασία που επιτυγχάνεται από το Aquark, το φυσικό κβαντικό «τικ» του ατόμου μπορεί να μετρηθεί για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα, καθώς η φυσική κίνηση των ατόμων επιβραδύνεται κατά έναν παράγοντα σχεδόν 10.000 από 290 m/s σε 34 mm/s. Η συχνότητα του ρολογιού ελέγχεται συνεχώς σε σχέση με την ατομική συχνότητα και διορθώνεται αυτόματα εάν χρειάζεται, μειώνοντας τη μακροπρόθεσμη απόκλισή της χωρίς να απαιτείται καμία διόρθωση από το σήμα χρονισμού που συνήθως παρέχεται από το GNSS.

Το AQlock είναι το πρώτο εμπορικά διαθέσιμο ατομικό ρολόι που κατασκευάστηκε στο Ηνωμένο Βασίλειο. Πίστωση: Aquark

Τον Ιούνιο του 2025, η Aquark συνεργάστηκε με το Βασιλικό Ναυτικό για να αναπτύξει το AQlock στο HMS Pursuer για μια τριήμερη θαλάσσια δοκιμή. Η δοκιμή ήταν η πρώτη του είδους της, που δοκίμασε τη σταθερότητα του AQlock όταν λειτουργούσε σε συνθήκες ανοιχτής θάλασσας. Κατά τη διάρκεια των δοκιμών, το ρολόι ψυχρού ατόμου λειτουργούσε συνεχώς, παρέχοντας ακριβή χρονισμό χωρίς διόρθωση από το GNSS, παρά το γεγονός ότι εκτέθηκε σε συνεχή κλίση και κύλιση του σκάφους.

Η Aquark πραγματοποίησε την πρώτη υποβρύχια δοκιμή της παγίδας ψυχρών ατόμων AQuest στο αυτόνομο υποβρύχιο όχημα μεγάλης εμβέλειας Autosub του Εθνικού Ωκεανογραφικού Κέντρου. Πίστωση: Aquark

Η Aquark διεξήγαγε επίσης την πρώτη υποβρύχια δοκιμή της παγίδας ψυχρών ατόμων AQuest, ενός βασικού εξαρτήματος του AQlock, σε δυναμικές συνθήκες επί του αυτόνομου υποβρύχιου οχήματος μεγάλης εμβέλειας Autosub του Εθνικού Ωκεανογραφικού Κέντρου. Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν παρείχαν μετρήσεις απόδοσης σχετικά με τη συμπεριφορά και την ανθεκτικότητα του συστήματος σε διαφορετικές θερμοκρασίες και πιέσεις.

«Αυτό που κάνει τη δοκιμή αξιοσημείωτη είναι ότι η ψύξη ατόμων με λέιζερ ιστορικά ήταν δυνατή μόνο όταν ένα σύστημα απομονώνεται προσεκτικά από τις περισσότερες εξωτερικές διαταραχές, κάτι που αποτελεί από μόνο του μια μεγάλη μηχανική πρόκληση στην ξηρά. Έτσι, ήταν ένα επίτευγμα να δούμε την βασική μας τεχνολογία - την παγίδα υπερμελάσας - να λειτουργεί υποβρυχίως για να σχηματίσει εξαιρετικά ψυχρά ατομικά νέφη.»

Ανακαλύφθηκε το 2019 στο Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον, η παγίδα υπερμελάσας που χρησιμοποιείται από την AQlock μειώνει τη δοκιμασμένη συνταγή για την παραγωγή ψυχρών ατόμων σε μια πολύ απλούστερη ρύθμιση που χρειάζεται μόνο τη σωστή γεωμετρία του φωτός λέιζερ και εξαιρετικά υψηλό κενό (πίεση ίση με το διάστημα). Αυτό που την κάνει μοναδική είναι ότι δεν χρειάζεται υποστηρικτικό μαγνητικό πεδίο.

Είναι δύσκολο να υπερεκτιμηθεί η σημασία αυτού από μηχανικής άποψης, καθώς εξαλείφει περίπου το 50% της πολυπλοκότητας των συστημάτων, λέει ο Jantzen. Αλλάζει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιούνται τα άτομα και ανοίγει το δρόμο για μια εναλλακτική πορεία σε σχέση με αυτήν που οδήγησε ολόκληρο τον τομέα για σχεδόν τέσσερις δεκαετίες.

«Η παγίδα υπερμελάσας μας επιτρέπει να μειώσουμε το μέγεθος, το βάρος, το κόστος και την κατανάλωση ενέργειας των συστημάτων κβαντικής ανίχνευσης.»

Αυτή ήταν η κύρια πρόκληση για τα ατομικά ρολόγια μέχρι σήμερα. Όσο πιο ακριβή είναι, τόσο μεγαλύτερα γίνονται. Συστήματα υψηλής απόδοσης και συμβατικά ψυχρού ατόμου, όπως οι μαγνητοοπτικές παγίδες, παραμένουν ογκώδη, ακριβά και μη πρακτικά εκτός εργαστηριακών περιβαλλόντων.

Η Aquark πλησιάζει πλέον στην επίτευξη του στόχου της να μειώσει την παγκόσμια εξάρτηση από το GNSS για λειτουργίες, υποδομές, τηλεπικοινωνίες, χρηματοοικονομικά, μεταφορές και πολλούς άλλους τομείς. «Η τεχνολογία ψυχρής ύλης βρίσκεται στην καρδιά αυτού που κάνουμε - και ο χρονισμός είναι μόνο μία εφαρμογή της. Με τη μελλοντική ζήτηση και την καινοτομία, η Aquark θα είναι σε καλή θέση να αναπτύξει συσκευές ψυχρής ύλης που μπορούν να καλύψουν όλο το φάσμα των πιθανών εφαρμογών. Αυτές μπορεί να περιλαμβάνουν αισθητήρες βαρύτητας για προηγμένη πλοήγηση, υποβρύχια εξερεύνηση και παρακολούθηση του περιβάλλοντος, καθώς και νέες δυνατότητες στην ανίχνευση ραδιοσυχνοτήτων και αδρανειακής δύναμης».

«Υπάρχουν σαφείς απαιτήσεις για ανθεκτικότητα σήμερα, ωστόσο πιστεύουμε ότι η μεγαλύτερη χρήση της τεχνολογίας γίνεται σε εφαρμογές που δεν έχουν ακόμη υλοποιηθεί.»

«Η λύση για την ακρίβεια πλοήγησης ήταν – και εξακολουθεί να είναι – ο ακριβής χρονισμός». Πίστωση: Aquark