Il est difficile d'imaginer le monde d'aujourd'hui sans le GPS. Avec sa myriade d'applications dans le domaine de la défense et son impact indélébile sur le commerce, le GPS a changé la façon dont nous concevons notre place dans le monde. C'est un produit de la première révolution quantique, qui s'est appuyé sur les horloges atomiques pour permettre un chronométrage de précision. À l'aube de la deuxième révolution quantique, les scientifiques et les entrepreneurs espèrent exploiter la physique quantique dans la conception et l'ingénierie de nouvelles technologies.Le Royaume-Uni a récemment mené avec succès des essais en vol commercial de systèmes de navigation quantiques, conçus pour offrir une sécurité accrue contre le brouillage et l'usurpation d'identité. En intégrant la technologie quantique, notamment des atomes ultrafroids, dans les systèmes de positionnement, de navigation et de chronométrage (PNT), ces essais ouvrent la voie à une alternative robuste aux systèmes de navigation par satellite conventionnels tels que le GNSS/GPS. Deux technologies quantiques, l'horloge atomique optique Tiqker et un capteur inertiel quantique, ont été testées avec succès à bord d'un démonstrateur technologique aéroporté. Ces avancées pourraient contribuer à la mise en place d'un système de navigation inertielle quantique (Q-INS) résistant aux perturbations, réduisant ainsi la dépendance actuelle vis-à-vis du GNSS/GPS.
Infleqtion offre un programme pilote pour les premiers utilisateurs de Tiqker. Une unité Tiqker de pré-production peut être livrée sur site pour une durée limitée à un prix réduit. Le coût du programme pilote peut être crédité vers l'achat d'une unité Tiqker à la fin d'un programme pilote réussi. Un programme pilote réussi permet à l'utilisateur de tester et de démontrer la technologie dans son cas d'utilisation, de fournir à Infleqtion des retours d'expérience sur l'utilisation du produit, et de partager toutes les données pertinentes sur les performances de l'horloge ou les caractéristiques qui l'intéressent.
Des capteurs quantiques pour dépasser les limites du GPS
La détermination de la position est un élément clé du développement de la civilisation depuis des milliers d'années. Avec la mise en place des systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS ; le plus important étant le système mondial de positionnement GPS), le positionnement précis s'est retrouvé dans la poche de pratiquement tout le monde sous la forme de puces compactes et bon marché dans les téléphones mobiles. Le GNSS est toutefois sujet à certaines limitations techniques. Une forte couverture arborée, un terrain urbain ou montagneux ou des tunnels entraînent des erreurs de positionnement ou une perte totale du signal, ce qui rend la navigation difficile, voire impossible, par exemple pour voler sur un terrain difficile.
Le ministre d'État (ministre des sciences, de la recherche et de l'innovation) Andrew Griffith s'exprime sur la navigation quantique avancée
La navigation inertielle permet de déterminer sa position en connaissant la position de départ et en déterminant en continu les trois degrés de liberté de translation et de rotation, puis en intégrant et en utilisant la physique newtonienne. Dans la pratique, cependant, la navigation sans GNSS sur de longues périodes de temps est problématique car elle conduit à des erreurs de positionnement dues au bruit intrinsèque et au comportement de dérive des systèmes de navigation inertielle classiques (INS). Dans ce projet, nous voulons développer des capteurs de navigation inertielle quantiques (QINS) qui, contrairement à leurs homologues classiques, sont sujets à des erreurs de positionnement beaucoup plus faibles. Cela permettra, par exemple, de les utiliser pour la conduite autonome, les hélicoptères de sauvetage et même la navigation dans l'espace lointain. En outre, nous explorerons les perspectives d'applications combinées en gravimétrie de vol, par exemple pour détecter les aquifères ou les matières premières.
Si le GPS est suffisamment précis pour la plupart des activités quotidiennes, de petites améliorations des capacités PNT actuelles peuvent faire la différence dans des secteurs où quelques mètres de précision supplémentaires permettent de construire un meilleur gazoduc, de retrouver un plongeur disparu ou de localiser la position d'un adversaire. Les technologies quantiques offrent une telle amélioration, avec des progrès progressifs dans les domaines du GPS et de la navigation inertielle qui alimentent la diversité des solutions PNT et fournissent la personnalisation nécessaire pour apporter une navigation précise dans de nouveaux domaines.
La technologie GPS pourrait être améliorée d'une manière autrefois inconcevable. En particulier, l'amélioration de la précision des capacités de positionnement et de synchronisation du GPS pourrait avoir un impact positif sur toute une série d'applications, de l'arpentage à la gestion des infrastructures en passant par le ciblage des armes. Dans les rares cas où même un GPS amélioré ne peut fonctionner - comme la navigation sous l'eau et sous terre ou la rencontre d'interférences adverses intentionnelles - les nouvelles technologies quantiques offrent une solution technologique alternative. La navigation inertielle, c'est-à-dire le processus de calcul de la position sans accès continu à des points de référence, devrait être considérablement améliorée grâce aux accéléromètres quantiques. Cette avancée promet d'ouvrir de nouvelles possibilités dans le domaine de la défense, des opérations sous-marines industrielles et de la recherche et du sauvetage.
Améliorer le GPS avec des horloges atomiques modernes
Le fonctionnement d'un GPS dépend en fin de compte de l'existence de satellites en orbite et d'un chronométrage précis. Exploitant les signaux horodatés et géodatés reçus des satellites proches, un GPS utilise le temps mis par le signal pour l'atteindre afin de calculer la distance qui le sépare des satellites. Combiné aux informations sur l'emplacement des satellites, le GPS détermine sa propre position. Toute erreur de synchronisation peut entraîner des erreurs dans la détermination de la position, ce qui réduit à néant toute possibilité d'utiliser un GPS pour la navigation.
Pour maintenir la précision, les satellites GPS sont équipés d'horloges atomiques précises, qui sont périodiquement resynchronisées avec une « horloge maîtresse » sur Terre afin de corriger les petites erreurs qui s'accumulent progressivement. L'amélioration de la précision des horloges atomiques ou de leur synchronisation permettrait au GPS de dépasser les limites actuelles de précision.
Les horloges atomiques modernes s'appuient sur les horloges atomiques originales du GPS grâce à leur compatibilité avec les protocoles de synchronisation quantique de haute précision. La synchronisation quantique des horloges commence avec des horloges qui se connectent les unes aux autres par des interactions quantiques uniques. Ces « connexions quantiques » rendent les propriétés des horloges interdépendantes, indépendamment de leur séparation. Les horloges peuvent exploiter cette dynamique pour réaliser une synchronisation robuste et de haute précision entre les satellites et une horloge maîtresse terrestre. En prime, les dispositifs actuels de réception du GPS, tels que les smartphones ou les GPS de voiture, ne nécessiteraient aucune modification pour exploiter cette mise à niveau.
La création et le maintien des délicates connexions quantiques entre les satellites et la Terre posent des défis inhérents, mais ils valent la peine d'être relevés. En ramenant la précision d'une échelle de 10 pieds à 1 pied ou moins, on ouvrirait le GPS à de nouvelles applications civiles dans les domaines de l'arpentage, de l'agriculture de précision et de la robotique. Cela favoriserait des applications telles que le ciblage des armes et la reconnaissance pour les militaires. L'amélioration de la synchronisation renforcerait également l'infrastructure civile dans des applications telles que la communication, la distribution des services publics et la coordination des transactions financières à grande échelle.
Navigation indépendante avec la navigation inertielle quantique
Les systèmes de navigation inertielle sont déjà connus comme une approche complémentaire potentielle du GPS. Au lieu de satellites, ces systèmes utilisent des accéléromètres et des gyroscopes pour mesurer les changements de mouvement, et ils calculent la position sur la base d'un emplacement précédemment connu. Cependant, les dispositifs traditionnels accumulent les erreurs trop rapidement pour être utilisables dans la plupart des applications. Les technologies quantiques offrent une nouvelle solution à ce problème.
Les principaux accéléromètres quantiques détectent les mouvements en exploitant la façon dont les particules quantiques, telles que les atomes, peuvent se comporter comme des ondes, telles que le son ou les vagues de l'océan. Lorsque deux vagues se chevauchent, elles se combinent pour former une nouvelle vague. Il en va de même dans le cas quantique : le fait de forcer les atomes à accélérer modifie la forme de l'onde combinée. En mesurant la forme de la nouvelle onde combinée, l'accéléromètre peut déduire son accélération. Les atomes étant extrêmement sensibles à des changements infimes, les accéléromètres quantiques atteignent des niveaux de sensibilité et de précision impossibles à atteindre avec les systèmes traditionnels.
Les accéléromètres quantiques en sont aux premiers stades de la commercialisation, et les systèmes de navigation inertielle quantiques complets ne sont probablement pas loin derrière. La grande sensibilité des accéléromètres quantiques signifie que leurs informations de positionnement restent précises environ dix fois plus longtemps que celles de leurs homologues non quantiques. Cela permet un positionnement précis et indépendant pendant des périodes beaucoup plus longues avant qu'un réétalonnage ne soit nécessaire. Cette indépendance est essentielle lorsque les signaux GPS ne peuvent pas atteindre l'appareil récepteur, par exemple sous l'eau, sous terre ou à la suite d'un brouillage adverse. En outre, lorsque des données GPS et inertielles quantiques sont disponibles, elles peuvent coopérer en tant que système unique avec une précision supérieure à celle que l'une ou l'autre aurait obtenue seule.
Les avancées de la technologie quantique dans l'aérospatiale
Pour la première fois, le Royaume-Uni a achevé avec succès des essais en vol commercial de systèmes de navigation quantiques avancés qui ne peuvent pas être brouillés ou usurpés par des acteurs hostiles. Si le brouillage du GPS est actuellement relativement rare et n'a pas d'incidence directe sur la trajectoire d'un avion, les nouveaux systèmes de positionnement, de navigation et de synchronisation (PNT) à base quantique pourraient, à terme, constituer l'un des éléments d'une solution plus large permettant de fournir une navigation très précise et résiliente en complément des systèmes satellitaires actuels, ce qui pourrait contribuer à garantir que les milliers de vols qui ont lieu chaque jour dans le monde se déroulent sans perturbation.
Infleqtion, une entreprise de technologie quantique, en collaboration avec les entreprises aérospatiales BAE Systems et QinetiQ, a terminé les essais au MoD Boscombe Down dans le Wiltshire, avec le ministre des sciences Andrew Griffith à bord du dernier vol d'essai le jeudi 9 mai.
Soutenus par des fonds gouvernementaux britanniques, ces projets ont le potentiel d'augmenter la résilience et la précision des systèmes de navigation, tout en offrant un avantage potentiellement significatif en matière de sécurité. Ce développement s'inscrit dans un contexte où la dépendance à l'égard des signaux satellites crée des vulnérabilités pour la défense et l'économie. Avec l'implication de divers partenaires, dont Infleqtion, QinetiQ et BAE Systems, ces avancées témoignent du leadership du Royaume-Uni dans le domaine de la technologie quantique, ouvrant la voie à des avancées futures dans la navigation sécurisée et précise.
Le Royaume-Uni vient d'achever les essais en vol commercial de systèmes de navigation quantiques conçus pour être à l'abri du brouillage et de l'usurpation d'identité conventionnels. Les systèmes de positionnement, de navigation et de chronométrage (PNT) reposent sur un chronométrage précis. La théorie veut qu'en intégrant la technologie quantique dans le mélange - dans ce cas, des atomes ultrafroids refroidis à un niveau proche du zéro absolu - le système puisse être utilisé comme une alternative aux systèmes de navigation globale par satellite (GNSS) ou au système de positionnement global (GPS) pour les données de localisation, de navigation et de chronométrage.
C'est la première fois que ce type de technologie révolutionnaire est testé au Royaume-Uni sur un avion en vol, et les premiers vols de ce type dans le monde ont été reconnus publiquement. Dirigé par Infleqtion et en collaboration avec des partenaires industriels et universitaires, ce projet a reçu un soutien de près de 8 millions de livres sterling de la part du gouvernement. Ce financement, associé à la stratégie nationale quantique de 2,5 milliards de livres et au programme national de technologies quantiques, vise à consolider la position du Royaume-Uni en tant qu'économie quantique de premier plan.
Le ministre des sciences, Andrew Griffith, a déclaré : « Des vols de passagers à la navigation, nous dépendons tous de systèmes de navigation précis, sûrs et sécurisés. La recherche scientifique que nous soutenons ici sur la technologie quantique pourrait bien apporter la résilience nécessaire à la protection de nos intérêts. Le fait que cette technologie ait volé pour la première fois dans le ciel britannique est une preuve supplémentaire que le Royaume-Uni est l'un des leaders mondiaux en matière de technologie quantique. »
Au cours d'une série de vols d'essai, l'équipe dirigée par Infleqtion a fait la démonstration de deux technologies quantiques révolutionnaires : l'horloge atomique optique compacte Tiqker et un système quantique étroitement confiné basé sur des atomes ultra-froids, tous deux à bord du démonstrateur technologique aéroporté RJ100 de QinetiQ, un aéronef modifié. La technologie testée lors du vol fera partie d'un système de navigation inertielle quantique (Q-INS), qui pourrait révolutionner la navigation par satellite, le système offrant une précision et une résilience exceptionnelles, indépendamment de la navigation par satellite traditionnelle utilisant le GPS.
Les horloges atomiques et la révolution quantique de la navigation
Le PNT nous aide à connaître notre position, à naviguer et à garder la notion du temps. Les horloges de précision constituent la pierre angulaire de la technologie PNT moderne. Ces horloges ultra-précises sont essentielles pour diverses applications, et la production portable d'atomes ultra-froids est une autre pièce maîtresse du puzzle. Les atomes ultrafroids, c'est-à-dire les atomes qui ont été refroidis à des températures proches du zéro absolu (la température la plus froide possible), sont idéaux pour construire des accéléromètres et des gyroscopes quantiques, qui constituent le cœur d'un Q-INS.
Le test fait partie d'un projet financé par UK Research and Innovation (UKRI) qui se concentre spécifiquement sur la création de capteurs quantiques pour remédier à la forte dépendance du Royaume-Uni à l'égard du GNSS/GPS pour les données de localisation, de navigation et de chronométrage. Cette dépendance crée une vulnérabilité, car un seul point de défaillance (comme le brouillage ou l'usurpation des signaux GPS) pourrait perturber des activités économiques, de défense et stratégiques essentielles. Le consortium qui travaille aux côtés d'Infleqtion comprend le Fraunhofer Centre for Applied Photonics, Alter Technology UK, Caledonian Photonics, Redwave Labs, PA Consulting, BAE Systems et QinetiQ.
Le Dr. Timothy Ballance, président d'Infleqtion UK, a souligné l'importance des récents essais dans le développement des solutions PNT quantiques. Il a mis en avant le besoin critique de réduire la dépendance vis-à-vis des systèmes de navigation par satellite, soulignant la vulnérabilité de ces systèmes. Les essais en vol réussis démontrent le potentiel de la technologie quantique pour relever les défis des systèmes de navigation, ouvrant la voie à des applications futures passionnantes dans l'industrie aérospatiale et au-delà.
Henry White de BAE Systems a également souligné l'importance de ces essais, mettant en lumière leur contribution potentielle à un avantage militaire significatif. Il a souligné l'importance de la connaissance précise de la localisation et du moment pour renforcer la conception et les capacités des plates-formes, en particulier dans le développement des systèmes aériens de combat de la prochaine génération.
Simon Galt de QinetiQ a exprimé sa fierté de collaborer avec BAE Systems et Infleqtion pour la réussite de ces essais. Il a souligné la capacité à collaborer efficacement dans l'écosystème de la défense, combinant l'expertise quantique avec le démonstrateur technologique aéroporté de QinetiQ.
Roger McKinlay d'Innovate UK a souligné l'importance croissante de la technologie quantique dans les infrastructures modernes, en particulier pour la synchronisation et la navigation précises. Il a salué les réalisations d'Infleqtion dans la réalisation de ces essais en vol, marquant une étape cruciale dans la mission 4 de la stratégie nationale quantique du Royaume-Uni. Cette mission vise à déployer des systèmes de navigation quantique sur les avions d'ici 2030, offrant une précision et une résilience de nouvelle génération indépendamment des signaux satellites. L'essai réussi de l'horloge atomique optique Tiqker d'Infleqtion et des éléments de base d'un capteur inertiel quantique à bord du démonstrateur technologique aéroporté RJ100 de QinetiQ représente une avancée majeure dans le domaine de la technologie quantique aéroportée.
Sources : Department for Science, Innovation and Technology, UK Research and Innovation, and Andrew Griffith MP
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Quel est votre avis sur le sujet ? Quelles sont les principales limitations et vulnérabilités des systèmes de navigation par satellite conventionnels tels que le GNSS/GPS, et comment la technologie quantique peut-elle contribuer à les surmonter ? Quels sont selon vous, les risques et les défis potentiels associés à l'adoption généralisée de la technologie quantique dans le domaine de la navigation, notamment en ce qui concerne la fiabilité et la disponibilité des systèmes ?Voir aussi :
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