Storbritanniens första kvantaccelerometer för navigering har demonstrerats av ett team från Imperial College London och M Squared.

Mest navigering idag bygger på ett globalt navigationssatellitsystem (GNSS), som GPS, som skickar och tar emot signaler från satelliter som kretsar kring jorden. Kvantaccelerometern är ett fristående system som inte förlitar sig på några yttre signaler.

Detta är särskilt viktigt eftersom satellitsignaler kan bli otillgängliga på grund av blockeringar som höga byggnader, eller kan fastna, imiterad eller förnekad - förhindrar korrekt navigering. En dag av förnekande av satellittjänsten skulle kosta Storbritannien 1 miljard pund.

Nu, för första gången, ett brittiskt team har visat en transportabel, fristående kvantaccelerometer vid National Quantum Technologies Showcase, ett evenemang som visar de tekniska framsteg som följer av Storbritanniens nationella kvantteknologiprogram - en investering på 270 miljoner brittiska regeringar över fem år.

Enheten, byggd av Imperial College London och M Squared, finansierades genom Defense Science and Technology Laboratory's Future Sensing and Situational Awareness Program, forskningsrådet för teknik och fysik, och Innovate UK. Det representerar Storbritanniens första kommersiellt gångbara kvantaccelerometer, som kan användas för navigering.

Accelerometrar mäter hur ett objekts hastighet förändras över tid. Med detta, och utgångspunkten för objektet, den nya positionen kan beräknas.

Med precisionen i ultrakalla atomer

Accelerometrar har funnits en tid, och finns idag i teknik som mobiltelefoner och bärbara datorer. Dock, dessa enheter kan inte behålla sin noggrannhet under längre perioder utan en extern referens.

Kvantaccelerometern förlitar sig på den precision och noggrannhet som är möjlig genom att mäta egenskaperna hos superkylda atomer. Vid extremt låga temperaturer, atomerna beter sig på ett "kvant" sätt, agerar som både materia och vågor.

Dr Joseph Cotter, från Center for Cold Matter at Imperial, sade:"När atomerna är extremt kalla måste vi använda kvantmekanik för att beskriva hur de rör sig, och detta gör att vi kan göra det vi kallar en atominterferometer. "

När atomerna faller, deras vågegenskaper påverkas av fordonets acceleration. Med hjälp av en "optisk linjal", accelerometern kan mäta dessa små förändringar mycket exakt.

För att göra atomerna kalla nog, och att undersöka deras egenskaper när de svarar på acceleration, mycket kraftfulla lasrar som kan kontrolleras exakt behövs.

Att sätta Storbritannien i centrum för den kommande kvantåldern

Dr Joseph Thom, Quantum Technology Scientist på M Squared, sade:"Som en del av vårt arbete med att kommersialisera kalla atomkvantsensorer, vi utvecklade ett universellt lasersystem för kalla atombaserade sensorer som vi redan har implementerat i vår kvantgravimeter. Denna laser används nu också i den kvantaccelerometer som vi har byggt i samarbete med Imperial. Kombinera hög effekt, exceptionellt låg ljudnivå och frekvensinställning, lasersystemet kyler atomerna och tillhandahåller den optiska linjalen för accelerationsmätningarna. "

Det nuvarande systemet är utformat för navigering av stora fordon, som fartyg och till och med tåg. Dock, principen kan också användas för grundforskning, som i sökandet efter mörk energi och gravitationella vågor, som Imperial -teamet också arbetar med.

Professor Ed Hinds, från Center for Cold Matter at Imperial, sa:"Jag tycker att det är oerhört spännande att denna kvantteknik nu flyttar ut från det grundläggande vetenskapslaboratoriet och tillämpas på problem i den stora världen, allt från den fantastiska känslighet och tillförlitlighet som du bara kan få från dessa kvantsystem. "

Dr Graeme Malcolm, grundare och VD för M Squared, sade:"Denna kommersiellt gångbara kvantanordning, accelerometern, kommer att sätta Storbritannien i hjärtat av den kommande kvantåldern. Samarbetet för att förverkliga potentialen i kvantnavigering illustrerar Storbritanniens unika styrka i att föra samman industri och akademi - bygga på framsteg vid vetenskapens gräns, ut från laboratoriet för att skapa verkliga tillämpningar för att förbättra samhället. "