No fim de setembro, um avião militar espanhol que levava o ministro da Defesa do país a uma base na Lituânia teria sido alvo de um tipo de ataque, não por um foguete ou projéteis antiaéreos, mas por transmissões de rádio que bloquearam seu sistema de GPS.
A aeronave pousou em segurança, mas foi uma das milhares afetadas por uma ampla campanha russa de interferência no GPS desde a invasão da Ucrânia, em 2022. O crescente transtorno para o tráfego aéreo e o risco de um desastre real têm evidenciado a vulnerabilidade do GPS e direcionado a atenção para formas mais seguras de os aviões navegarem pelo desafio da interferência e do spoofing, termo que designa o ato de enganar um receptor de GPS, fazendo-o acreditar que está em outro lugar.
Contratantes militares dos EUA estão lançando novos satélites de GPS que usam sinais mais fortes e mais inteligentes, e engenheiros estão trabalhando para fornecer melhores informações de navegação com base em outras fontes, como transmissões celulares e dados visuais.
Mas outra abordagem que está emergindo de laboratórios é a navegação quântica: explorar a natureza quântica da luz e dos átomos para construir sensores ultrassensíveis que podem permitir que veículos naveguem de forma independente, sem depender de satélites. À medida que a interferência no GPS se torna mais um problema, a pesquisa em navegação quântica está avançando rapidamente, com muitos pesquisadores e empresas agora correndo para testar novos dispositivos e técnicas. Nos últimos meses, a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA (DARPA) e sua Unidade de Inovação em Defesa anunciaram novas concessões para testar a tecnologia em veículos militares e preparar o caminho para a implantação operacional.
Talvez a forma mais óbvia de navegar seja saber onde você começou e, então, acompanhar para onde vai registrando a velocidade, a direção e a duração do deslocamento. Embora essa abordagem, conhecida na área como navegação inercial, seja conceitualmente simples, é difícil fazê-la bem; pequenas incertezas em qualquer uma dessas medições se acumulam ao longo do tempo e levam a grandes erros mais adiante. Douglas Paul, o pesquisador principal do Hub for Quantum Enabled Precision, Navigation & Timing (QEPNT), do Reino Unido, diz que dispositivos especializados de navegação inercial existentes podem errar por 20 quilômetros após 100 horas de viagem. Enquanto isso, os sensores baratos, comumente usados em smartphones, produzem mais do que o dobro desse nível de incerteza após apenas uma hora.
“Se você está guiando um míssil que voa por um minuto, isso pode ser bom o suficiente”, ele diz. “Se você está em um avião comercial, isso definitivamente não é bom o suficiente.”
Uma versão mais precisa da navegação inercial, em vez disso, usa sensores que dependem do comportamento quântico de partículas subatômicas para medir com mais precisão aceleração, direção e tempo.
Várias empresas, como a Infleqtion, sediada nos EUA, estão desenvolvendo giroscópios quânticos, que acompanham a orientação de um veículo, e acelerômetros quânticos, que podem revelar a distância que ele percorreu. Os sensores da Infleqtion se baseiam em uma técnica chamada interferometria atômica: um feixe de átomos de rubídio é atingido por pulsos de laser precisos, que dividem os átomos em dois caminhos separados. Mais tarde, outros pulsos de laser recombinam os átomos, e eles são medidos com um detector. Se o veículo tiver virado ou acelerado enquanto os átomos estão em movimento, os dois caminhos ficarão ligeiramente fora de fase de um modo que o detector consegue interpretar.
No ano passado, a empresa testou esses sensores inerciais em um avião customizado voando em um local de testes militares britânico. Em outubro deste ano, a Infleqtion realizou seu primeiro teste no mundo real de uma nova geração de sensores inerciais que usa um fluxo constante de átomos em vez de pulsos, permitindo navegação contínua e evitando longos tempos mortos.
A Infleqtion também tem um relógio atômico, chamado Tiqker, que pode ajudar a determinar quão longe um veículo viajou. Ele é um tipo de relógio óptico que usa lasers infravermelhos ajustados a uma frequência específica para excitar elétrons no rubídio, que então liberam fótons a uma taxa consistente e conhecida. O dispositivo “perderá um segundo a cada 2 milhões de anos, mais ou menos”, diz Max Perez, que supervisiona o projeto, e ele cabe em um rack padrão de equipamentos eletrônicos. Ele passou por testes em voos no Reino Unido, em veículos terrestres do Exército dos EUA no Novo México e, no fim de outubro, em um submarino-drone.
“O Tiqker operou feliz nessas condições, o que é algo inédito para gerações anteriores de relógios ópticos”, diz Perez. Eventualmente, a empresa espera tornar a unidade menor e mais robusta ao mudar para lasers gerados por microchips.
Campos magnéticos
Veículos privados que usam navegação baseada em satélite não estão totalmente por conta própria; eles podem obter pistas úteis de campos magnéticos e gravitacionais que cercam o planeta. Esses campos variam ligeiramente dependendo do local, e as variações, ou anomalias, são registradas em vários mapas. Ao medir com precisão o campo magnético ou gravitacional local e comparar esses valores com mapas de anomalias, sistemas de navegação quântica podem rastrear a localização de um veículo.
Allison Kealy, uma pesquisadora de navegação na Swinburne University, na Austrália, está trabalhando no hardware necessário para essa abordagem. A equipe dela usa um material chamado diamante com vacância de nitrogênio. Em diamantes NV, um átomo de carbono na rede é substituído por um átomo de nitrogênio, e um átomo de carbono vizinho é removido por completo. O estado quântico dos elétrons no defeito NV é muito sensível a campos magnéticos. Estimular cuidadosamente os elétrons e observar a luz que eles emitem oferece uma forma de medir com precisão a intensidade do campo no local do diamante, tornando possível inferir onde ele está situado no globo.
Kealy diz que esses magnetômetros quânticos têm algumas grandes vantagens sobre os tradicionais, incluindo o fato de que medem a direção do campo magnético da Terra além de sua intensidade. Essa informação adicional poderia facilitar a determinação da localização.
A tecnologia está longe de uma implantação comercial, mas Kealy e vários colegas testaram com sucesso seu magnetômetro em um conjunto de voos na Austrália no fim do ano passado, e eles planejam realizar mais testes neste ano e no próximo. “É aqui que fica empolgante, à medida que fazemos a transição de modelos teóricos e experimentos controlados para sistemas operacionais no terreno”, ela diz. “Este é um grande passo adiante.”
Sistemas delicados
Outras equipes, como a Q-CTRL, uma empresa australiana de tecnologia quântica, estão se concentrando em usar software para construir sistemas robustos a partir de sensores quânticos ruidosos. A navegação quântica envolve pegar esses sensores delicados, aprimorados nas condições plácidas de um laboratório, e colocá-los em veículos que fazem curvas bruscas, sacolejam com turbulência e balançam com as ondas, tudo isso interferindo no funcionamento dos sensores. Até os próprios veículos apresentam problemas para magnetômetros, especialmente “o fato de que o avião é feito de metal, com toda essa fiação”, diz Michael Biercuk, o CEO da Q-CTRL. “Geralmente há de 100 a 1.000 vezes mais ruído do que sinal.”
Depois que engenheiros da Q-CTRL realizaram testes de seu sistema de navegação magnética em um Cessna especialmente equipado no ano passado, eles usaram aprendizado de máquina para passar pelos dados e tentar separar o sinal de todo o ruído. Por fim, eles descobriram que conseguiam rastrear a localização do avião com até 94 vezes mais precisão do que um sistema convencional de navegação inercial de grau estratégico conseguiria, segundo Biercuk. Eles anunciaram suas conclusões em um artigo não revisado por pares na primavera passada.
Em agosto, a Q-CTRL recebeu dois contratos da DARPA para desenvolver seu produto mag-nav “robustecido por software”, chamado Ironstone Opal, para aplicações de defesa. A empresa também está testando a tecnologia com parceiros comerciais, incluindo as contratadas de defesa Northrop Grumman e Lockheed Martin e a Airbus, uma fabricante aeroespacial.
“A Northrop Grumman está trabalhando com a Q-CTRL para desenvolver um sistema de navegação magnética que consiga suportar as exigências físicas do mundo real”, diz Michael S. Larsen, arquiteto de sistemas quânticos na empresa. “Tecnologias como a navegação magnética e outros sensores quânticos vão desbloquear capacidades para fornecer orientação, mesmo em ambientes sem GPS ou com o sistema degradado.”
Agora, a Q-CTRL está trabalhando para colocar o Ironstone Opal em um contêiner menor e mais robusto, apropriado para implantação; “a primeira implantação do Ironstone Opal foi, e parecia, um experimento científico”, diz Biercuk. Ele prevê entregar as primeiras unidades comerciais no próximo ano.
Fusão de sensores
Mesmo à medida que a navegação quântica emerge como uma alternativa legítima à navegação baseada em satélites, os próprios satélites estão melhorando. Satélites modernos GPS III incluem novos sinais civis chamados L1C e L5, que devem ser mais precisos e mais difíceis de bloquear e de enganar (spoofing) do que os sinais atuais. Ambos estão programados para estarem plenamente operacionais mais adiante nesta década.
Usuários militares dos EUA e de países aliados devem ter acesso a ferramentas de GPS muito mais robustas, incluindo o M-code, uma nova forma de sinal de GPS que está sendo implementada agora, e a Proteção Militar Regional, um feixe de GPS concentrado que será restrito a pequenas áreas geográficas. Esta última começará a ficar disponível quando a geração de satélites GPS IIIF estiver em órbita, com o primeiro programado para subir em 2027. Um porta-voz da Lockheed Martin diz que novos satélites de GPS com M-code são oito vezes mais poderosos do que os anteriores, enquanto o modelo GPS IIIF será 60 vezes mais forte.
Outros planos envolvem usar satélites de navegação em órbita baixa da Terra, a zona habitada pela constelação Starlink, da SpaceX, que fornece internet, em vez da órbita média da Terra usada pelo GPS. Como objetos em LEO estão mais próximos da Terra, seus sinais são mais fortes, o que os torna mais difíceis de bloquear e de enganar. Satélites em LEO também transitam o céu mais rapidamente, o que os torna ainda mais difíceis de enganar e ajuda receptores de GPS a obter uma fixação em sua posição mais rápido. “Isso realmente ajuda para a convergência do sinal”, diz Lotfi Massarweh, um pesquisador de navegação por satélite na Delft University of Technology, na Holanda. “Eles conseguem obter uma boa posição em apenas alguns minutos. Então isso é um salto enorme.”
Em última análise, diz Massarweh, a navegação vai depender não apenas de satélites, sensores quânticos ou qualquer outra tecnologia única, mas da combinação de todas elas. “Você precisa pensar sempre em termos de fusão de sensores”, ele diz.
Os recursos de navegação de que um veículo se vale vão mudar de acordo com seu ambiente, seja um avião comercial, um submarino ou um carro autônomo em um cânion urbano. Mas a navegação quântica será um recurso importante. Ele diz: “Se a tecnologia quântica realmente entregar o que vemos na literatura, se ela for estável ao longo de uma semana, em vez de dezenas de minutos, nesse ponto ela muda completamente o jogo.”
Amos Zeeberg
