量子物理学者が新しい、より安全な航行方法を発見

2015年、アメリカ海軍兵学校は卒業生に対し、過去に戻り、星を使った航法を学ぶ必要があると決定しました。9年前、GPSの精度と使いやすさが高かったため、天体航法は必修科目から外されていました。

しかし、最近の出来事がアカデミーのGPSへの信頼を揺るがした。地中海を航行中のヨットのナビゲーションシステムを研究者が乗っ取ったのだ。ニュージャージー州のトラック運転手が、違法な信号妨害装置をニューアーク空港に接近させ、システムに干渉させたとして3万2000ドルの罰金を科されたのだ（運転手はただ、上司に追跡されたくないだけだった）。そこでアカデミーは、海軍士官たちには信頼できる北極星を導きの星とするバックアッププランが必要だと判断した。空がハッキングされることは決してないのだ。

雲を除いては。「星が見えなかったらどうしますか？」とロッキード・マーティンのエンジニア、マイケル・ディマリオ氏は言う。

彼と彼のチームには、量子センサーという解決策があるかもしれない。

この画像には機械、輸送車両、航空機、飛行機、モーターが含まれている可能性があります

ディマリオのチームは5年近くかけて、プロトタイプを製作してきた。長さ約30センチ、直径15センチの円筒形の試作品の中には、塩の結晶ほどの大きさしかない合成ダイヤモンドの立方体が収められている。このダイヤモンドには特殊な不純物が含まれている。炭素原子の立方格子が繰り返される中で、時折炭素原子が抜け落ち、その隣には窒素原子が位置している。これらのいわゆる窒素空孔中心（NV中心）は、ダイヤモンド内部で互いに結合して分子のような構造を形成し、優れた磁気センサーとして機能することがわかった。

緑色レーザーをダイヤモンドに照射すると、NV中心は赤色光を発して反応します。量子力学の作用により、ダイヤモンドは周囲の磁場に応じて発光量が増減します。研究者たちは、このようなダイヤモンドを用いて、例えばイカのニューロンの発火による磁場を測定しています。

ディマリオ氏は、航海にこのダイヤモンドを用いて、地球の磁場に見られる特徴的な波紋や隆起、いわゆる磁気異常を検出します。これらの異常は、米国海洋大気庁（NOAA）が既に地図化しています。異常を特定すれば、それを航行の基準点として利用できます。現在、船舶や航空機は磁気異常を航行に利用していません。これは、ほとんどの磁気センサーが磁場の強度しか測定できず、磁場の向きを測定できないためです、とディマリオ氏は言います。しかし、彼のチームの装置はその両方を測定できます。動作に衛星との通信を必要としないため、この量子センサーはハッキングに対する脆弱性が低いのです。

ディマリオ氏と彼のチームはこれまで、飛行機、ニュージャージー州のSUV、そしてチェサピーク湾の船舶でセンサーのナビゲーション機能をテストしてきました。最終的には、このシリンダーをホッケーのパックほどの大きさに小型化し、あらゆる交通機関でGPSの独立したチェック機能として使用できるようにしたいと考えています。

量子ナビゲーションに賭けているのは、ディマリオと彼のチームだけではない。コロラド州にある米国立標準技術研究所の研究所では、物理学者のアジュール・ハンセンが、回転運動を検知するための量子ジャイロスコープの開発に取り組んでいる。例えば、パイロットは現在、飛行機を水平に保つために、また自動運転車もナビゲーションにジャイロスコープを使用している。しかし、現在のジャイロスコープはドリフトする。これは、高速時計が時間の経過とともに誤差が大きくなるのとよく似ている。このドリフトは非常に大きいため、パイロットはジャイロスコープをほぼ1時間ごとにリセットする必要がある。この自動リセットはうまく機能するが、故障した場合は別だ。ハンセンによると、量子ジャイロスコープは全くドリフトしないため、より信頼性が高くなる可能性がある。量子ジャイロスコープの基本構成要素は原子であり、時間の経過とともに歪むことはないからだ。

ハンセン氏の装置は卓上に収まるサイズで、ミニ冷蔵庫を2台重ねたくらいの大きさだ。内部には角砂糖よりも小さなガラス容器があり、800万個のルビジウム原子が収められている。レーザーが原子を誘導し、原子は個々の粒子というよりは池にぶつかる波のような挙動を示す。衝突によって生じるさざ波のパターンを画像化すると、一群の縞模様のように見える。容器が回転すると、縞模様も回転する。縞模様の数から回転の度合いがわかり、パターンの変化から地球の重力場の強さまでもがわかる。ハンセン氏によると、この回転情報と地球の重力場の測定値を合わせると、ナビゲーションツールとしても利用できるという。ダイヤモンド磁力計と同様に、この装置はGPSのバックアップとしても使用できる。

研究者たちは、量子センサーを他の種類の測定にも活用することを検討しています。NISTの化学者ジェイ・ヘンドリックス氏は、ヘリウム原子の基本特性を利用した圧力センサーを開発しました。このセンサーは、航空機のパイロットが高度測定に利用できるようになるでしょう。このセンサーは、ヘリウムガスで満たされたガラス容器にレーザーを照射することで機能します。外部の圧力に応じてレーザーの色が変化します。研究者たちはこの装置の一種を用いて圧力の国家標準を作製し、航空会社はこれをすべての圧力センサーの校正に使用します。ボーイング社とロッキード・マーティン社は、この装置に関心を示しています。

しかし、量子ナビゲーション機器の製造上の問題は深刻であり、市場投入後もその理想的な用途は依然として不透明だ。「確かに機能するが、まだ非常に高度な設計が必要だ」と、サンディア国立研究所の物理学者パウリ・ケハイアス氏は言う。「量子だからといって、優れているわけではない」

ハンセン氏は、これらのデバイスの小型化と完成にはおそらく何年もかかるだろうと認めている。彼女の研究グループは、このジャイロスコープが10年以内に市場に投入され、陸、空、海、そして宇宙空間において、より安全な航行プロトコルの提供を開始したいと考えている。「一般の人々が量子技術の真価を理解できるかどうかは分かりません」とハンセン氏は言う。「変化に気づく人はほとんどいないでしょう。」

量子ナビゲーションは現在のツールの精度を凌駕することはないかもしれないが、竜巻対策キットに入っている缶詰パスタが手作りフェットチーネより美味しい必要はないのと同じように、そうする必要はないかもしれない。「現実世界の状況では、GPSの精度から200メートル以内に収まるようになれば、それは大成功です」とディマリオ氏は磁力計について語る。彼は、この装置が商用化されても、船舶や航空機のナビゲーションシステムは依然として主にGPSを使用するだろうと予想している。量子センサーは、天候に関わらずバックアップとして機能するだろう。

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