17 січня рейс Ryanair з Лондона наближався до Вільнюса, Литва, коли його посадка раптово була припинена. Лише за кілька хвилин до приземлення суперечливі сигнали з основної Глобальної системи позиціонування (GPS) призвели до термінової зміни маршруту.
Boeing 737 MAX 8-200 вже знижувався до висоти близько 850-футів (259 м), коли відбулася перешкода. Замість того, щоб приземлитися, літак змушений був піднятися назад у повітря та змінити курс на майже 400 км (250 миль) на південь до Варшави, Польща. Литовські авіаційні органи пізніше підтвердили, що літак постраждав від “перешкоди GPS-сигналу”.
Це не був одиничний інцидент. Протягом останніх трьох місяців 2024 року у литовському повітряному просторі було зафіксовано понад 800 випадків GPS-перешкоди. Естонія та Фінляндія також висловили занепокоєння, обвинувачуючи Росію у використанні технологій для глушіння супутникових навігаційних сигналів поблизу східного флангу НАТО – хоча країна це заперечує. У березні минулого року тодішній міністр оборони Грант Шаппс знаходився на літаку, коли його GPS-сигнал також був заглушений під час польоту біля російської території.
Загроза глушіння GPS виходить за межі авіації. Без GPS наше життя загальмується: у 2017 році урядовий звіт вказував на те, що систематичне глушіння GPS може призвести до зупинки фінансових, електричних і комунікаційних систем у Великобританії.
Щоб точково визначити наше місцезнаходження, ми повинні знати точний час. GPS працює шляхом отримання сигналів від декількох супутників. Час, за який кожен сигнал досягає пристрою, використовується для точної визначеності нашого положення на Землі.
Дуже великі атомні годинники безпосередньо спілкуються зі супутниками, дозволяючи їм знати час з точністю до 100 мільярдних часток секунди, а ця точність є ключем до різноманітних економічних активностей по всьому світу, включаючи комунікаційні системи, електричні енергетичні мережі та фінансові мережі.
Потенційна вартість втрати GPS оцінюється в 1,4 млрд фунтів стерлінгів щодня – не дивно, що глушіння GPS стоїть на національному реєстрі ризиків уряду як одна з найбільших загроз для Великобританії.
У зв’язку з цим група британських вчених – названа “Лордами Часу” – отримала завдання знайти рішення. План простий: розробити більш безпечну альтернативу GPS, дозволяючи портативне використання нових атомних годинників, замість того, щоб покладатися на сигнали з супутників у космосі, які можуть бути заглушені. Але його реалізація є надзвичайно складною: потрібно використати силу атома, розробити новий тип годинника та навіть змінити спосіб, яким ми вимірюємо час – все це протягом декількох років.
В останні місяці уряд Великобританії створив дослідницькі ініціативи для боротьби з загрозою глушіння GPS. Але перетворення прототипів на надійні пристрої, які одного дня можуть бути інтегровані в наші телефони, є величезним завданням – а потреба в новій технології стає все більш терміновою.
Ця проблема може бути порівнянна з винаходом портативного годинника для морської навігації Джоном Гаррісоном у XVIII столітті, який вирішив так звану проблему довготи, відкриваючи нову еру торгівлі та золотий вік досліджень.
Триста років потому дослідники знову змагаються за вдосконалення нового годинника для вирішення проблеми GPS – і вплив може бути принаймні таким же трансформаційним.
“Історія показує, що щоразу, коли ми маємо вдосконалення можливостей вимірювання часу, виникають нові застосування, які роблять можливим те, про що люди раніше навіть не мріяли”, – говорить доктор Гелен Марголіс, головний вчений з часу і частоти національної фізичної лабораторії Великобританії (NPL) на південно-заході Лондона.
У 1967 році світові хронометристи, міжурядовий орган під назвою Генеральна конференція з ваг і міри, погодилися визначити час, використовуючи атомні годинники, а не за обертанням Землі.
Цей перехід трансформував наш світ так само радикально, як годинник Гаррісона, заклавши основи для GPS та подібних систем, що базуються в космосі. Вони надають точне визначення часу з атомних годинників на супутниках, що дозволяє швидко і масово здійснювати комунікації, обчислення та транзакції по всьому світу майже миттєво, а також забезпечує більш точну навігацію.
Пошук нової портативної альтернативи GPS охоплює області, звані квантовими технологіями, які знаходять способи маніпулювати атомами. Багато розмов останніх років стосувалися розробки потужних квантових комп’ютерів, які, як вважається, перетворять наші найшвидші суперкомп’ютери на аналогові машини в порівнянні.
Але тихіша революція для поліпшення навігації та вимірювання часу проходила непоміченою, і саме в цій галузі квантова технологія, за словами професора Дугласа Пола з Великобританського хабу для квантових технологій позиціонування, навігації і вимірювання часу (QEPNT), яка була створена в грудні минулого року урядом для розробки цих нових пристроїв, має зробити свій ранній вплив.
“Ми очікуємо, що якийсь навігаційний система з’явиться на ринку протягом двох-трьох років”, – говорить він. “Тож деякі з цих технологій вже досить просунуті”.
Професор Пол і його квантові вчені працюють з доктором Марголіс і її колегами з NPL, яких інші годинникарі назвали “Лордами Часу”. У 1955 році NPL винайшла перший атомний годинник такого типу, який використовується сьогодні, заснований на частоті випромінювання атома елемента цезію.
GPS та інші системи супутникової навігації скидають свої годинники, синхронізуючи з цими більш точними годинниками на землі. Для альтернативи GPS вченим знадобиться новий тип атомних годинників, які в майбутньому можна буде мініатюризувати та уніфікувати, щоб вони могли функціонувати в повсякденних умовах, а не в контрольованих умовах лабораторії.
Дослідники NPL удосконалюють так званий оптичний годинник для досягнення цього, який у 100 разів точніший за найбільш точні цезієві годинники, що використовуються сьогодні. Це виглядає так, якби воно могло бути частиною Тардису доктора Хто, і його стимулюють лазерним світлом, а не мікрохвилями.
Коли оптичні годинники займуть місце цезієвих, як годинники, які визначають Універсальний координований час (UTC), способи визначення плину часу також повинні будуть змінитися, за словами доктора Марголіс.
“Міжнародна спільнота розробила дорожню карту для повторного визначення секунди”, – говорить вона BBC News.
Найближча мета NPL полягає в створенні національної мережі до 2030 року, яка з’єднає чотири атомні годинники по всій Великобританії, щоб бізнеси могли підключатися для забезпечення точної безпечної відлікової системи та для розробки нових інноваційних застосувань, які використовують ультра-швидкий час.
Зрештою, критичні системи у Великобританії у фінансах, телекомунікаціях, енергетиці, комунальних послугах та національній безпеці можуть перейти на нову технологію – хоча це займе більше часу. “Щоб все це перевести, потрібно буде принаймні десять років, а, ймовірно, і значно більше”, – говорить професор Пол.
Але ставки високі, і альтернативи, які пропонує ця нова технологія, значні. “Міністерство оборони США може вирішити припинити підтримувати GPS, його можуть знищити під час конфлікту або випадково”, – заявляє він. “Немає жодних гарантій, що GPS завжди буде доступним. З усіма цими глушіннями та спуфінгом [коли злочинець надає хибний сигнал з неправильним часом і місцезнаходженням], ви не можете завжди гарантувати, що отримаєте надійний сигнал, тому, якщо ви не можете отримати або довіряти цій інформації, люди можуть перестати її використовувати”.
Хоча подібні дослідження відбуваються по всьому світу, Великобританія є лідером у цій галузі. Коли літак з технологією на борту здійснив випробувальний політ у травні 2024 року, тодішній міністр науки Ендрю Гріффіт описав це як “свідчення того, що Велика Британія є одним з світових лідерів у квантовій технології”. За даними уряду, це був перший тест такого типу технології у Великобританії на літак у польоті та “перший такий політ у світі, який був публічно визнаний”.
Наскоро технологія, що переносить групу атомів, охолоджених до -273 °C, безпосередньо на літаку, замість того, щоб покладатися на зовнішній сигнал, не може бути перешкоджена глушінням. Але проблема полягає в тому, що обладнання все ще надто велике для звичайного використання на літаках.
Генрі Уайт, частина команди BAE Systems, яка працювала над тестовим польотом, заявив BBC News, що вважає, що першим застосуванням може бути на кораблях, “де є трохи більше місця”.
Квантові годинники, гіроскопи та акселерометри великі, громіздкі та неймовірно дорогі; точний квантовий годинник коштує близько 100 000 фунтів стерлінгів. Проте військові дослідження дозволяють створення менших, кращих та дешевших систем.
Глушіння GPS викликає проблеми для британських військових у зонах конфлікту, таких як Україна. Однією з основних проблем, з якими стикаються науковці в Дослідницькій лабораторії оборони, науки та технологій (DSTL), є створення чутливих технологій, які працюють не тільки в реальному світі, де в морі, часто бушує важке море, але також і в найскладніших умовах; на полі бою, за словами провідного дослідника DSTL, який має залишитися анонімним з міркувань безпеки.
“Ми працюємо з атомами,” — підкреслює вона. “У вас є вібрація, зміни тиску, зміни температури, і в вас є середовища, які мають всі ці різні змінні, поки ви намагаєтеся маніпулювати властивостями світла. Отже, потрібна точність”.
Головна мета для деяких тих, хто працює над цією новою технологією, – це забезпечити кожному з нас еквівалент нашої особистої системи GPS в наших телефонах. Це має включати в себе мініатюризований оптичний годинник, а також крихкий гіроскоп, щоб ми знали, в якому напрямку рухаємося, і пристрій, званий акселерометром, який покаже, з якою швидкістю ми рухаємося.
QEPNT був створений урядом, аби зменшити ці пристрої на чіп, зробивши їх достатньо надійними для повсякденного життя та доступними для всіх. Але цей процес ще не розпочато. “Це займе багато десятиліть, перш ніж це станеться для всієї критичної національної інфраструктури по всій Великобританії”, – говорить професор Пол.
Дослідники квантових годинників стикаються з такими ж проблемами, як і Джон Гаррісон, коли той розробляв свій портативний морський годинник у XVIII столітті. Пане Гаррісон мусив побудувати годинник, чия відлік часу не залежала б від змін температури, тиску або вологості, та змогла б функціонувати на постійно рухомому кораблі – його найбільша складність полягала у його зменшенні.
Однак виявилося, що його труднощі стали шляхом до розв’язання. Чим меншими він робив свої годинники, тим більш стійкими вони виявлялися на морі.
“Гаррісон виявив, що легше ізолювати їх від усіх зовнішніх впливів”, – говорить інший учений DSTL.
“Як і триста років тому, коли ми робимо ці системи меншими, стає легше контролювати середовище навколо них і ізолювати їх від впливу вібрації, температури, тиску та вологості”.
Відомі вчені XVIII століття, включаючи сера Ісаака Ньютона, вважали, що навігація за допомогою морських годинників неможлива. Але врешті-решт пан Гаррісон, простий годинникар і столяр, довів, що його більш відомі колеги були неправі.
Проведення прототипних оптичних годинників спочатку на полі бою, а потім і в повсякденному житті є так само складним завданням. Чи зможуть вчені знайти рішення досить швидко?
Одного дня ми можемо мати їх у наших кишенях, але більш термінова мета полягає в тому, щоб забезпечити їх в стані, де ми можемо безпечно літати, оскільки случаи глушіння GPS на літаках та критичних комп’ютерних системах зростають. Лорди часу та квантові вчені сподіваються продовжити спадщину скромного годинникаря – трансформувати вимірювання часу та захистити критичні системи Великобританії від GPS-атак.
