No final de setembro, um avião militar espanhol que transportava o ministro da Defesa do país para uma base na Lituânia foi alvo de um tipo de ataque, não com um foguete ou projéteis antiaéreos, mas através de transmissões de rádio que bloquearam o seu sistema de GPS.
A aeronave aterrou em segurança, mas foi uma de milhares afetadas por uma ampla campanha russa de interferência no GPS desde a invasão da Ucrânia, em 2022. O transtorno crescente para o tráfego aéreo e o risco de um acidente real têm evidenciado a vulnerabilidade do GPS e direcionado a atenção para formas mais seguras de as aeronaves lidarem com a interferência e o spoofing, termo que designa o ato de enganar um recetor de GPS, levando-o a “acreditar” que está noutro lugar.
Contratantes militares dos EUA estão a lançar novos satélites de GPS que recorrem a sinais mais fortes e mais inteligentes e engenheiros estão a trabalhar para fornecer melhores informações de navegação com base noutras fontes, como transmissões celulares e dados visuais.
Mas há outra abordagem a emergir dos laboratórios: a navegação quântica. A ideia é explorar a luz e os átomos para construir sensores ultrassensíveis, capazes de permitir que veículos naveguem de forma independente, sem depender de satélites. À medida que a interferência no GPS se torna um problema cada vez mais sério, a investigação em navegação quântica tem avançado rapidamente, com muitos investigadores e empresas agora a acelerar para testar novos dispositivos e técnicas. Nos últimos meses, a Agência de Projetos de Investigação Avançada de Defesa dos EUA (DARPA) e a sua Unidade de Inovação em Defesa anunciaram novas concessões para testar a tecnologia em veículos militares e preparar o caminho para a implementação operacional.
Talvez a forma mais óbvia de navegar seja saber onde se começou e, depois, acompanhar para onde se vai, registando a velocidade, a direção e a duração do deslocamento. Embora esta abordagem, conhecida na área como navegação inercial, seja conceptualmente simples, é difícil fazê-la bem: pequenas incertezas em qualquer uma dessas medições acumulam-se ao longo do tempo e conduzem a grandes erros mais adiante. Douglas Paul, investigador principal do Hub for Quantum Enabled Precision, Navigation & Timing (QEPNT), do Reino Unido, afirma que dispositivos especializados de navegação inercial já existentes podem falhar por 20 quilómetros após 100 horas de viagem. Já os sensores baratos, habitualmente usados em smartphones, geram mais do dobro desse nível de incerteza ao fim de apenas uma hora.
“Se estiver a guiar um míssil que voa durante um minuto, isso pode ser suficientemente bom”, diz. “Se estiver num avião comercial, isso definitivamente não é suficientemente bom.”
Uma versão mais precisa da navegação inercial, por sua vez, recorre a sensores que dependem do comportamento quântico de partículas subatómicas para medir, com maior rigor, a aceleração, a direção e o tempo.
Várias empresas, como a Infleqtion, sediada nos EUA, estão a desenvolver giroscópios quânticos, que acompanham a orientação de um veículo, e acelerómetros quânticos, capazes de revelar a distância que percorreu. Os sensores da Infleqtion baseiam-se numa técnica chamada interferometria atómica: um feixe de átomos de rubídio é atingido por impulsos de laser precisos, que dividem os átomos em dois trajetos separados. Mais tarde, outros impulsos de laser recombinam os átomos, e estes são medidos por um detetor. Se o veículo tiver virado ou acelerado enquanto os átomos estão em movimento, os dois trajetos ficam ligeiramente fora de fase, de uma forma que o detetor consegue interpretar.
No ano passado, a empresa testou estes sensores inerciais num avião adaptado, a voar num local de testes militares britânico. Em outubro deste ano, a Infleqtion realizou o seu primeiro teste em condições reais de uma nova geração de sensores inerciais que, em vez de impulsos, usa um fluxo constante de átomos, permitindo navegação contínua e evitando longos períodos de inatividade.
A Infleqtion tem também um relógio atómico, chamado Tiqker, que pode ajudar a determinar a distância percorrida por um veículo. Trata-se de um relógio ótico que usa lasers infravermelhos ajustados para uma frequência específica, para excitar eletrões no rubídio, que depois libertam fotões 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 cabe num bastidor padrão de equipamento eletrónico. Já foi testado em voos no Reino Unido, em veículos terrestres do Exército dos EUA no Novo México e, no final de outubro, num submarino-drone.
“O Tiqker funcionou sem problemas nessas condições, o que é algo inédito para gerações anteriores de relógios óticos”, diz Perez. A empresa espera tornar a unidade mais pequena e mais robusta ao passar para lasers gerados por microchips.
Campos magnéticos
Veículos civis que recorrem à navegação por satélite não estão totalmente por conta própria: podem obter pistas úteis a partir dos campos magnéticos e gravitacionais que rodeiam o planeta. Estes campos variam ligeiramente consoante o local e essas variações, ou anomalias, estão registadas 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 acompanhar a localização de um veículo.
Allison Kealy, investigadora de navegação na Swinburne University, na Austrália, está a trabalhar no hardware necessário para esta abordagem. A sua equipa utiliza um material conhecido como “diamante com vacância de nitrogénio”. Nos diamantes NV, um átomo de carbono na estrutura é substituído por um átomo de nitrogénio e um átomo de carbono vizinho é removido por completo. O estado quântico dos eletrões no defeito NV é extremamente sensível a campos magnéticos. Ao estimular cuidadosamente esses eletrões e observar a luz que emitem, é possível medir com precisão a intensidade do campo no local do diamante, tornando viável inferir onde ele se encontra no globo.
Kealy afirma que estes magnetómetros quânticos têm vantagens importantes face aos tradicionais, incluindo o facto de medirem a direção do campo magnético da Terra, além da sua intensidade. Essa informação adicional pode facilitar a determinação da localização.
A tecnologia está ainda longe de uma implementação comercial, mas Kealy e vários colegas testaram com sucesso o seu magnetómetro numa série de voos na Austrália, no final do ano passado, e planeiam realizar mais testes este ano e no próximo. “É aqui que fica entusiasmante, à medida que fazemos a transição de modelos teóricos e experiências controladas para sistemas operacionais no terreno”, diz. “Este é um grande passo em frente.”
Sistemas delicados
Outras equipas, como a Q-CTRL, uma empresa australiana de tecnologia quântica, estão a concentrar-se em usar software para construir sistemas robustos a partir de sensores quânticos ruidosos. A navegação quântica implica pegar nestes sensores delicados, aperfeiçoados nas condições plácidas de um laboratório, e colocá-los em veículos que fazem curvas bruscas, sacodem com a turbulência e balançam com as ondas — tudo isto interferindo com o funcionamento dos sensores. Até os próprios veículos criam problemas para os magnetómetros, sobretudo “o facto de o avião ser feito de metal, com toda esta cablagem”, diz Michael Biercuk, CEO da Q-CTRL. “Geralmente há entre 100 e 1.000 vezes mais ruído do que sinal.”
Depois de engenheiros da Q-CTRL terem realizado testes do seu sistema de navegação magnética, no ano passado, num Cessna especialmente equipado, a equipa recorreu a aprendizagem automática para analisar os dados e tentar separar o sinal de todo o ruído. No final, descobriram que conseguiam acompanhar a localização do avião com uma precisão até 94 vezes superior à que um sistema convencional de navegação inercial de grau estratégico conseguiria, segundo Biercuk. Anunciaram as conclusões num artigo não revisto por pares, na primavera passada.
Em agosto, a Q-CTRL recebeu dois contratos da DARPA para desenvolver o seu produto de mag-nav “robustecido por software”, chamado Ironstone Opal, para aplicações de defesa. A empresa está também a testar a tecnologia com parceiros comerciais, incluindo as contratadas de defesa Northrop Grumman e Lockheed Martin, e a Airbus, fabricante aeroespacial.
“A Northrop Grumman está a trabalhar 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 a trabalhar para colocar o Ironstone Opal num contentor mais pequeno e mais robusto, adequado à implementação; “a primeira implementação do Ironstone Opal foi — e parecia — uma experiência científica”, 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 a melhorar. Os satélites modernos GPS III incluem novos sinais civis, chamados L1C e L5, que deverão 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.
Os utilizadores militares dos EUA e de países aliados deverão ter acesso a ferramentas de GPS muito mais robustas, incluindo o M-code, uma nova forma de sinal de GPS que está agora a ser implementada, 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 afirma que os 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 passam por usar satélites de navegação em órbita baixa da Terra (LEO), a zona ocupada pela constelação Starlink, da SpaceX, que fornece internet, em vez da órbita média da Terra usada pelo GPS. Como os objetos em LEO estão mais próximos da Terra, os seus sinais são mais fortes, o que os torna mais difíceis de bloquear e de enganar. Os satélites em LEO também atravessam o céu mais rapidamente, o que os torna ainda mais difíceis de enganar e ajuda os recetores de GPS a obter uma fixação da sua posição mais depressa. “Isso ajuda mesmo na convergência do sinal”, diz Lotfi Massarweh, investigador de navegação por satélite na Delft University of Technology, nos Países Baixos. “Conseguem obter uma boa posição em apenas alguns minutos. Portanto, é um salto enorme.”
Em última análise, diz Massarweh, a navegação vai depender não apenas de satélites, sensores quânticos ou qualquer outra tecnologia isolada, mas da combinação de todas elas. “É preciso pensar sempre em termos de fusão de sensores”, diz.
Os recursos de navegação a que um veículo recorre vão mudar de acordo com o seu ambiente, seja um avião comercial, um submarino ou um carro autónomo num “cânion urbano”. Mas a navegação quântica será um recurso importante. Diz Massarweh: “Se a tecnologia quântica realmente entregar o que vemos na literatura, se for estável ao longo de uma semana, em vez de dezenas de minutos, então muda completamente o jogo.”
Amos Zeeberg