Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Từ việc dẫn đường cho máy bay, tàu thuyền, cho đến ứng dụng chỉ đường trên chiếc điện thoại thông minh của bạn, chúng ta phụ thuộc vào nó hàng ngày. Hệ thống này hoạt động nhờ vào một mạng lưới vệ tinh được đồng bộ hóa hoàn hảo bởi các đồng hồ nguyên tử. Tuy nhiên, GPS có một điểm yếu chí mạng: tín hiệu của nó có thể bị nhiễu, bị giả mạo hoặc hoàn toàn biến mất ở một số khu vực.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học từ lâu đã mơ về một hệ thống định vị tự thân, không phụ thuộc vào tín hiệu bên ngoài. Giờ đây, giấc mơ đó đang tiến gần hơn đến hiện thực. Một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia (Hoa Kỳ) đã chế tạo thành công một thiết bị nhỏ gọn, đột phá, có khả năng trở thành trái tim của các hệ thống định vị thế hệ tiếp theo, hoạt động dựa trên các nguyên lý của vật lý lượng tử.
Vấn Đề Của GPS và Lời Giải Từ Định Vị Quán Tính Lượng Tử
Giải pháp thay thế cho GPS được gọi là Hệ thống định vị quán tính (Inertial Navigation System - INS). Về cơ bản, nếu bạn biết chính xác điểm xuất phát của mình và có thể theo dõi một cách hoàn hảo mọi chuyển động – mọi gia tốc, mọi cú rẽ – bạn có thể tính toán vị trí hiện tại của mình mà không cần bất kỳ tín hiệu nào từ vệ tinh.
Công nghệ để làm điều này chính là các cảm biến lượng tử: gia tốc kế và con quay hồi chuyển nguyên tử. Bằng cách chiếu tia laser vào những đám mây nguyên tử rubidi siêu lạnh, các nhà khoa học có thể đo lường những thay đổi nhỏ nhất trong chuyển động với độ chính xác không tưởng.
Tuy nhiên, cho đến nay, công nghệ này vẫn bị giới hạn trong các phòng thí nghiệm. Lý do là vì để các phép đo lượng tử hoạt động, đám mây nguyên tử phải được đặt trong một môi trường chân không gần như hoàn hảo, để không một phân tử khí đi lạc nào có thể va chạm và làm hỏng phép đo. Việc tạo ra và duy trì môi trường chân không này đòi hỏi các hệ thống máy bơm cồng kềnh, ngốn rất nhiều điện năng, khiến chúng không thể được tích hợp vào máy bay hay các phương tiện khác.
Đột Phá Của Sandia: Chân Không Siêu Nhỏ Gọn Không Cần Năng Lượng
Đây chính là lúc nhóm nghiên cứu tại Sandia tạo ra sự khác biệt. Họ đã thành công trong việc tạo ra một cảm biến lượng tử hoạt động mà không cần hệ thống bơm chân không công suất cao, một thành tựu được đăng trên tạp chí AVS Quantum Science.
Họ đã đạt được điều này thông qua hai cải tiến chính:
- Sử dụng "Getters" thay cho máy bơm: Thay vì các máy bơm chân không chạy bằng điện, họ sử dụng một cặp thiết bị thụ động gọi là "getters". Những getters này, với kích thước chỉ bằng một "cục tẩy trên đầu bút chì", sử dụng các phản ứng hóa học để liên tục bẫy và vô hiệu hóa bất kỳ phân tử khí nào rò rỉ vào buồng. Chúng hoạt động hiệu quả mà không cần bất kỳ nguồn điện nào.
- Xây dựng "Pháo đài" Titan-Sapphire: Để ngăn chặn sự rò rỉ ngay từ đầu, các nhà nghiên cứu đã chế tạo buồng chân không từ những vật liệu tiên tiến là titan và sapphire. Sử dụng các kỹ thuật chế tạo tinh vi vốn được phát triển để liên kết các vật liệu cho thành phần vũ khí hạt nhân, họ đã tạo ra một buồng chứa cực kỳ kín, đặc biệt hiệu quả trong việc ngăn chặn các loại khí khó giữ nhất như heli.
Kết quả là một thiết bị lần đầu tiên đạt được cả ba yếu tố: nhỏ bé, tiết kiệm năng lượng và đủ tin cậy, mở ra khả năng đưa các cảm biến lượng tử từ phòng thí nghiệm vào sử dụng thương mại.
Tương Lai và Lộ Trình Phía Trước
Công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn đầu. Nhóm nghiên cứu tại Sandia sẽ tiếp tục theo dõi thiết bị trong vài năm tới để kiểm tra độ tin cậy và hiệu suất lâu dài của nó trong một môi trường khép kín. Quá trình này sẽ quyết định liệu công nghệ đã sẵn sàng để triển khai trên quy mô lớn hay chưa.
Tuy nhiên, thành công trong việc loại bỏ máy bơm ion là một bước tiến khổng lồ. Nó không chỉ giúp tạo ra các cảm biến nguyên tử cực nhỏ mà còn đặc biệt hữu ích cho các cảm biến nhạy cảm với từ trường.
Nếu thành công, công nghệ này có thể dẫn đến một thế hệ hệ thống định vị mới cho máy bay quân sự và dân sự, tàu thuyền, máy bay không người lái và thậm chí cả xe tự hành, cho phép chúng hoạt động an toàn và chính xác ngay cả trong các môi trường không có GPS như đường hầm, thành phố dày đặc hoặc trong điều kiện bị gây nhiễu có chủ đích. Đây là một bước tiến quan trọng hướng tới một tương lai nơi định vị chính xác không còn phụ thuộc hoàn toàn vào các tín hiệu mong manh từ không gian.
