(Il team dell'Imperial College London ha installato un prototipo del sistema quantistico a bordo di una nave militare inglese per testarlo; foto courtesy Royal Navy)
La Royal Navy sta lavorando alla navigazione quantistica senza GPS
La tecnologia dei sistemi di navigazione sta affrontando una transizione ‘digitale' nei metodi per la determinazione della posizione di una nave senza precedenti
Londra. Attraversare le fasi storiche di una struttura della navigazione rimane sempre difficile per marittimi e Ufficiali della Guardia, impegnati a garantire un ‘viaggio' sempre più sicuro, nella salvaguardia della vita umana in mare.
Nella ‘Navigazione d'osservazione' – la prima nata con l'incipit dell'uomo ad andare per mare – lo spazio doveva essere ‘finito' ed il tempo doveva essere ‘vivente'. Le due condizioni erano necessarie e sufficienti per affrontare il viaggio di una ‘nau', grazie anche a un ‘racconto nautico' senza carte, ma solo ‘odoporico' che i nautes di allora sapevano pianificare.
La direzione di spostamento è individuata dal suo ambiente che sta davanti rispetto ad un riferimento del mondo esterno; la posizione è fornita dalla distanza percorsa in tale direzione, misurata in passi o in ‘stanze' (appartamento o allontanamento) stimando il cammino percorso; tali parametri davano la posizione della nau.
Poi siamo passati nella ‘Prima Navigazione', quella costiera grazie alla capacità di osservare l'osservabile, orientandosi con il ‘compasso dei venti'. Venivano imbarcati marittimi con il compito di scrivere e registrare tutti i dati osservati su libri chiamati ‘Compasso da Navigare': si registravano le distanze percorse secondo i diversi venti, direzioni e distanze di alcuni punti notevoli delle coste, in un sistema di coordinate polari; venivano dati anche una serie di ‘peleggi'- percorsi in alto mare, secondo i rispettivi venti tra un porto principale ed altri porti.
La ‘Seconda Navigazione' ha impegnato marittimi e Ufficiali a conoscere il cielo stellato e soprattutto a riconoscere gli ‘itinerari stellari e solari'; i riferimenti naturali della direzione del sorgere del sole (oriri) o quella del suo passaggio, nel moto diurno, alla massima altezza, (mezzogiorno), del tramonto (occasa) sull'orizzonte; il settentrione o Arcton, (septem triones) individuato dall'Orsa Maggiore; poi, sono divenuti necessari astrolabi, quadranti, ottanti, sestanti, almanacchi e effe-mereidos'; questa navigazione (autonoma, e non dipendente dall'uomo) è stata la più importante e con l'invenzione del cronometro ha permesso di determinare la longitudine con precisione (cioè il tempo della nave a partire da un meridiano fondamentale); non si tralascia i vari perfezionamenti del compasso per navigare con cui la rotta non più misurata dai venti, ma da un ago magnetico; questa navigazione ha dominato conoscenze e competenze dei nautes fino alla scoperta della radio.
La ‘Terza Navigazione parte con l'invenzione della radio, passa attraverso il radar per giungere a quella ‘satellitare'. L'avvento del GPS ha portato il fronte della tecnologia dei sistemi della navigazione alla ‘e-Navigation'.
L'IMO da la seguente definizione: “the harmonized collection, integration, exchange, presentation and analysis of maritime information onboard and ashore by electronic means to enhance berth-to-berth navigation and related services, for safety and security at sea and protection of the marine environment.”
Passando ora alla ‘Navigazione quantistica' possiamo dire che è un concetto affascinante che si basa sulla ‘Meccanica quantistica': teoria fisica che descrive il comportamento della materia e delle particelle a livello microscopico. Il concetto base è l''entanglement' (o intricazione quantistica): proprietà della meccanica quantistica che si riferisce alla capacità di due particelle di correlare i loro comportamenti anche a distanze molto grandi e senza alcun collegamento fisico diretto. Concetto è stato evidenziato dal Prof Alain Aspect, premio Nobel per la Fisica 2022 insieme a John F. Clauser e Anton Zeilinger per i suoi “esperimenti realizzati con fotoni entangled, che hanno aperto le porte alla scienza dell'informazione quantistica”.
I computer quantistici differiscono dai computer tradizionali nel modo in cui veicolano le informazioni, utilizzando i qubit invece dei bit; mentre questi ultimi, impiegati nei processori convenzionali, possono avere un valore alternativamente solo di 0 o solo di 1, grazie alle proprietà della meccanica quantistica i qubit possono essere impostati in uno stato cosiddetto di ‘sovrapposizione', il che significa che possono essere contemporaneamente 0 e 1.
Pensiamo un attimo all'istruzione e formazione degli ufficiali di guardia della plancia di una nave e di guardia delle macchine, di quali conoscenze e competenze dovranno acquisire per navigare il ‘futuro quantico'.
L'Agenzia Tecnologica Militare del Regno Unito sta lavorando a un dispositivo di ‘navigazione quantistica', un sistema di navigazione inerziale che potrebbe fornire una precisione simile al GPS per le navi in mare, senza alcuna dipendenza da segnali esterni.
Il GPS ha rivoluzionato l'economia dei trasporti, migliorando la sicurezza e l'efficienza e abilitando nuovi modelli di business (come Uber).
Il trasporto marittimo moderno ha fatto molto affidamento sul GPS per la navigazione, la prevenzione delle collisioni e il posizionamento di precisione. Tuttavia, il GPS è profondamente vulnerabile al disturbo da parte di malintenzionati e dipende dall'integrità di una costellazione di satelliti. In caso di un grave evento di brillamento solare – o peggio, di un attacco antisatellite deliberato – la navigazione GPS potrebbe essere compromessa.
Gli operatori militari spesso si affidano alla tecnologia di ‘navigazione inerziale' per integrare il GPS, in particolare per le applicazioni mission-critical. I sottomarini, gli aerei e i missili da crociera utilizzano la guida inerziale per compensare le vulnerabilità note dei sistemi GPS. Tuttavia, i sistemi di guida inerziale sono una forma avanzata di calcolo del punto-nave (dead reckoning) e tutti hanno un certo grado di deriva: più a lungo la piattaforma opera senza ottenere una soluzione definitiva, meno accurata è la posizione stimata.
La ‘Navigazione quantistica' utilizza lo stesso concetto, ma con molta più precisione. Gli accelerometri quantistici sono molto più precisi dei giroscopi tradizionalmente utilizzati nella guida inerziale e, se sviluppati per essere pronti all'operatività, i ricercatori della Difesa del Regno Unito affermano che un giorno potrebbero essere utilizzati per fornire una navigazione senza GPS. (lo ricordiamo che integrando un'accelerazione si ottiene una velocità che integrata a sua volta determina uno spazio a partire da un ‘punto-origine').
Sviluppato dai ricercatori dell' Imperial College di Londra nel 2018, il sensore quantistico utilizza un laser per misurare le proprietà ondulatorie degli atomi ultrafreddi in una camera.
Mentre la nave si muove, la camera si muove e gli atomi all'interno devono muoversi con essa. Gli impulsi laser tracciano il movimento degli atomi e i dati forniscono una registrazione precisa delle accelerazioni della nave.
Il sensore quantistico Imperial è stato testato a bordo della nave da ricerca XV Patrick Blackett della Royal Navy nel 2023 e quest'anno è stato sottoposto a ulteriori test a bordo della nave da trasporto marittimo della Difesa britannica Hurst Point.
Il Ministero della Difesa del Regno Unito è ottimista sulle prospettive di far maturare il sistema nel prossimo round di test.
Le tecnologie quantistiche hanno il potenziale per risolvere alcuni dei problemi militari più urgenti, aumenta la capacità operativa di difesa e apre la strada a nuove opportunità per il settore militare e mercantile.
Nuove tecniche di navigazione verso una capacità completamente resiliente e priva di satelliti.
L'Italia nel suo programma di PNRR ha predisposto progetti nel campo tecnologico delle comunicazioni, utilizzando sistemi quantici per trasmettere e ricevere dati.
