أبرد مكان في الكون

فريق أكوارك على متن سفينة إتش إم إس بيرسوير. حقوق الصورة: أكوارك

وصلت شركة بريطانية إلى درجة حرارة بلغت -273.149996 درجة مئوية في تقنية الكم التي تستخدمها في ساعتها الذرية، مما أدى فعلياً إلى خلق أبرد مكان في الكون. إنه حلٌّ عالي التقنية لمشكلة قديمة: الملاحة البحرية الدقيقة دون الاعتماد على أنظمة الأقمار الصناعية.

يوضح ألكسندر جانتزن، المؤسس المشارك والرئيس التنفيذي للعمليات في شركة أكوارك تكنولوجيز: "في مطلع القرن الثامن عشر، كان من الممكن تحديد خط العرض أثناء الملاحة البحرية من خلال مراقبة مواقع النجوم البعيدة المعروفة فوق الأفق، إلا أن خط الطول كان لغزًا محيرًا. تكمن مشكلة خط الطول في دوران كوكبنا، وعدم وجود نقطة مرجعية ثابتة نقارن بها موقعنا في عرض البحر."

وقد جاء حل هذه المشكلة في عام 1735 عندما طور جون هاريسون أول كرونومتر بحري عملي.

يقول جانتزن: "كان حل دقة الملاحة - ولا يزال - هو التوقيت الدقيق. لقد حلّ هاريسون مشكلة خط الطول، موضحًا كيف أصبح تحديد الموقع بدقة ممكنًا باستخدام الكرونومتر (أكثر أجهزة ضبط الوقت موثوقية في عصره). قارن هاريسون الوقت من موقع معروف - مثل الموقع الذي أبحرت منه السفينة - مع وقت اليوم في موقع السفينة. معرفة الفرق في وقت الظهيرة مكّن السفينة من معرفة موقعها الطولي بدقة."

بحلول ثمانينيات القرن العشرين، جعلت أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية في النظام العالمي للملاحة عبر الأقمار الصناعية (بما في ذلك نظام تحديد المواقع العالمي GPS) الساعات الزمنية قديمة إلى حد كبير بالنسبة للملاحة العملية، لأن إشارات الوقت اللازمة للملاحة الدقيقة كانت تأتي في الغالب من الساعات الذرية الموجودة على أقمار GNSS الصناعية.

في حالة تعطل نظام GNSS، توفر الساعات الذرية استمرارية موثوقة، حيث تقدم إشارة توقيت مستقرة حتى يتم استعادة الوصول إلى نظام GNSS، لأنها توفر دقات دقيقة وموثوقة ومستمرة لا يمكن التداخل معها.

يقول جانتزن: "في عرض البحر، لا تتجاوز دقة كشف التزييف دقة مرجع التوقيت لديك. تحتاج أنظمة الجسر إلى مصدر توقيت دقيق. عندما تسير الأمور على ما يرام، فإن أنظمة تحديد المواقع والملاحة والتوقيت (PNT) في جسر السفينة ستعمل بنفس دقة الساعة الذرية. ولكن عندما يتعرض مستقبل نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) للتزييف، يتسارع توقيته مقارنةً بإشارة المرجع، مما قد يؤدي إلى بيانات تحديد مواقع غير موثوقة وأخطاء ملاحية خطيرة إذا لم يتم اكتشاف التزييف".

يمكن تحقيق مرونة نظام تحديد المواقع والملاحة والتوقيت (PNT) عندما يكتشف النظام فجوة بين دقات الساعة الذرية ونظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS). يستطيع النظام التحول إلى إشارة الساعة الذرية أثناء التزييف، وسيعود إلى نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) عند اختفاء فجوة التوقيت.

يقول جانتزن: "تقيس أفضل أنظمة التوقيت الدقيقة اليوم خصائص التردد الطبيعية والمستقرة للذرات وفقًا لميكانيكا الكم، وتستخدمها لتصحيح الانحرافات عن نقطة مرجعية، عادةً ما تكون مذبذبًا بتردد 10 ميجاهرتز. ولتحقيق أعلى دقة، يجب الوصول إلى الذرة دون إزعاج لأطول فترة ممكنة لإزالة التشويش وتقليل التباينات العشوائية. في أكوارك، نقوم بذلك عن طريق تبريد الذرات بالليزر إلى ما يقارب الصفر المطلق."

عند درجة الحرارة القصوى التي يحققها جهاز أكوارك، يمكن قياس "نبضة" الذرة الكمومية الطبيعية لفترات أطول، حيث تتباطأ الحركة الطبيعية للذرات بمقدار يقارب 10000 ضعف، من 290 م/ث إلى 34 مم/ث. ويتم التحقق باستمرار من تردد الساعة مقابل التردد الذري، وتصحيحه تلقائيًا عند الحاجة، مما يقلل من انحرافه على المدى الطويل دون الحاجة إلى أي تصحيح من إشارة التوقيت التي يوفرها نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) عادةً.

ساعة AQlock هي أول ساعة ذرية متاحة تجاريًا تم تصنيعها في المملكة المتحدة. حقوق الصورة: Aquark

في يونيو 2025، تعاونت شركة أكوارك مع البحرية الملكية البريطانية لنشر ساعة AQlock على متن سفينة HMS Pursuer لإجراء تجربة بحرية استمرت ثلاثة أيام. كانت هذه التجربة الأولى من نوعها، حيث اختبرت ثبات ساعة AQlock عند تشغيلها في ظروف البحر المفتوح. خلال التجارب، عملت الساعة التي تعمل بتقنية الذرات الباردة بشكل متواصل، موفرةً توقيتًا دقيقًا دون الحاجة إلى تصحيح من نظام GNSS، على الرغم من تعرضها لحركة التمايل والدوران المستمرة للسفينة.

أجرت شركة أكوارك أول اختبار تحت الماء لمصيدة الذرات الباردة AQuest على متن المركبة الآلية تحت الماء طويلة المدى التابعة للمركز الوطني لعلوم المحيطات. حقوق الصورة: أكوارك

أجرت شركة أكوارك أيضاً أول اختبار تحت الماء لمصيدة الذرات الباردة AQuest، وهي مكون رئيسي في نظام AQlock، في ظروف ديناميكية على متن المركبة الآلية تحت الماء Autosub Long Range التابعة للمركز الوطني لعلوم المحيطات. وقد وفرت البيانات التي تم جمعها مؤشرات أداء حول سلوك النظام ومتانته في درجات حرارة وضغوط مختلفة.

"ما يجعل هذه التجربة مميزة هو أن تبريد الذرات بالليزر لم يكن ممكناً تاريخياً إلا عندما يكون النظام معزولاً بعناية عن معظم المؤثرات الخارجية، وهو ما يمثل تحدياً هندسياً كبيراً بحد ذاته على اليابسة. لذلك كان إنجازاً أن نرى تقنيتنا الأساسية - مصيدة دبس السكر الفائقة - تعمل تحت الماء لتشكيل سحب ذرية فائقة البرودة."

تم اكتشاف مصيدة دبس السكر الفائقة، التي تستخدمها شركة AQlock، عام 2019 في جامعة ساوثهامبتون، وهي تُبسّط الطريقة التقليدية لإنتاج الذرات الباردة إلى نظام أبسط بكثير، لا يتطلب سوى هندسة مناسبة لضوء الليزر وفراغ فائق (ضغط يعادل ضغط الفضاء الخارجي). ما يُميّزها هو أنها لا تحتاج إلى مجال مغناطيسي داعم.

يقول جانتزن إنه من الصعب المبالغة في أهمية هذا الأمر من الناحية الهندسية، إذ أنه يزيل حوالي 50% من تعقيدات النظام. إنه يغير جذرياً كيفية استخدام الذرات، ويمهد الطريق لمسار بديل عن المسار الذي هيمن على هذا المجال بأكمله لما يقرب من أربعة عقود.

"تتيح لنا مصيدة دبس السكر الفائقة تقليل حجم ووزن وتكلفة واستهلاك الطاقة لأنظمة الاستشعار الكمي."

كان هذا هو التحدي الرئيسي الذي واجهته الساعات الذرية حتى الآن. فكلما زادت دقتها، زاد حجمها. ولا تزال أنظمة الذرات الباردة عالية الأداء والتقليدية، مثل المصائد المغناطيسية البصرية، ضخمة ومكلفة وغير عملية خارج بيئات المختبرات.

تقترب شركة أكوارك الآن من تحقيق هدفها المتمثل في تقليل الاعتماد العالمي على أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية (GNSS) في العمليات والبنية التحتية والاتصالات والتمويل والنقل والعديد من القطاعات الأخرى. "تُعدّ تقنية المادة الباردة جوهر عملنا، والتوقيت ليس سوى تطبيق واحد لها. ومع الطلب المستقبلي والابتكار، ستكون أكوارك في وضع جيد لتطوير أجهزة المادة الباردة التي يمكنها تلبية كامل نطاق التطبيقات المحتملة. قد تشمل هذه التطبيقات أجهزة استشعار الجاذبية للملاحة المتقدمة، والاستكشاف تحت الماء، والرصد البيئي، بالإضافة إلى قدرات جديدة في استشعار الترددات الراديوية وقوة القصور الذاتي."

"هناك مطالب واضحة على المرونة اليوم، ومع ذلك نعتقد أن الاستخدام الأمثل للتكنولوجيا يكمن في التطبيقات التي لم تتحقق بعد."

كان حل دقة الملاحة - ولا يزال - هو التوقيت الدقيق. (مصدر الصورة: Aquark)