【新技術】「量子コンパス」はGPSを置き換えるか??プロトタ イプが3〜5年で登場？［5/22］

「量子コンパス」（Quantum Compass）という技術をご存じだろうか？

位置情報システムとしては人工衛星を使った「GPS」（Global Positioning System）がメジャーな存在であり、
現在スマートフォンなどで利用されているA-GPSは、この衛星システムに地上の携帯アンテナやWi-Fi情報を加えて位置特定速度や精度を向上させたものだ。

一方で量子コンパスは、こうした固定のアンテナや衛星等に頼らず、地磁気等の情報のみを取得してデバイス単体で位置を特定できるメリットがある。


GPS以外の位置情報特定システムが求められる背景

最近では位置情報システムというと、ごく自然に「GPS」というキーワードが出てくるが、
GPS自体はアメリカ合衆国が運用するシステムであり、これを多くの機器がそのまま利用しているに過ぎない。

地表における詳細な位置を特定するというのは航空機や船舶の運航、情報収集において非常に大きな意味を持っており、
GPSももともとは軍事目的として30??40年ほど前から研究や配備が続けられてきたものだ。

現在のGPSも、その過程で打ち上げられた衛星の一部がそのまま運用されてきたもので、準同期軌道という
静止軌道より低い軌道を約30個の衛星が周回して地上全土をカバーしている。

GPS受信器は、現在位置からこの衛星のいくつかが出している信号をキャッチし、誤差計算を加えた上で正確な位置を割り出している。

だが、元が軍事用途を中心としたものであり、GPSが現在の形で開放されたのはここ15年ほどのことだ。
以前までは「Selective Availability」という仕組みがあり、軍事用途では誤差数メートルほどの正確な位置情報が
取得できるようになっている一方で、一般にはこれにダミー情報を加えて範囲100mほどの誤差まで落とした情報を提供するようにしていた。

これが、1996年にビル・クリントン大統領（当時）によって「デュアルユース」という一般開放に向けた指針が示され、
2000年5月の段階でようやく「Selective Availability」が解除され、今日のGPSの形で利用できるようになった。
今日、GPS技術は進化を続け、スマートフォンのような小型デバイスであってもごく一般的に搭載されるようになったのも、デュアルユースによる解放後の技術開発があったからだといえる。

イギリス国立物理学研究所（The National Physical Laboratory、NPL） によるプレスリリース
http://ascii.jp/elem/000/000/896/896789/001_248x.jpg
NPLによる観測用チップ
http://ascii.jp/elem/000/000/896/896790/002_248x.jpg


ASCII.jp
http://ascii.jp/elem/000/000/896/896793/

>>2に続く

現状のGPSにおける問題点

しかし、現在のGPSにはいくつか問題があることは、普段利用しているユーザーにもよく分かってわかっているだろう。
まず、衛星を利用した位置測定ということで、屋内やビルの谷間といった入り組んだ地形では衛星の情報を受信器がキャッチできず、正確な位置を測定できない。

また、詳細は後述するが、これは水の中でも同様で、特に連続で潜行して移動することになる潜水艦ではGPSによる位置計測が使えない。
加速度センサーなどを組み合わせた、GPSを利用しない最高精度の位置測定機器を用いているが、1日で1km程度の誤差は出てしまうという。

もうひとつは、政治的・地政学的リスクだ。そもそもが軍事用途であり、GPSが米国の所有物である以上、
何らかのリスクは考慮しなければいけない。仮に米国を全面的に信頼していたとしても、システムハッキングやジャミングなど、
第三者による介入は常に考慮せねばならず、有事の際に全面的にGPSに頼るのは厳しい。

そうした理由もあり、米国と利害関係にある国や団体は独自の位置情報システム構築を進めている。
著名なものにロシアの「GLONASS」、欧州連合の「Galileo」、中国の「Compass」（北斗衛星導航系統）などが挙げられるが、
現在利用可能なのは数年前に配備が完了したGLONASSのみであり、残りはまだ実験中または配備途中の段階にある。

また、配備計画そのものに対する他国からの牽制も常に行なわれており、例えば誤差1m以内とGPSと比べても
高精度な技術を搭載したGalileoは、米国政府によって「悪用される危険性が高い」との警告が行なわれている。
もちろん、裏の意図としては「GPS利用を阻害するライバルへの牽制」という意味合いもある。
こうした政治的対立以外でも、テロ攻撃の危険性は考慮しなければいけない。例えば、北朝鮮による
ジャミング工作などの危険がある韓国では、衛星による位置情報システム以外に、地上に多数設置した
アンテナを使って詳細な位置を特定できるシステムを構築しているといわれる。
同種の仕組みは地政学的リスクを考慮して、これ以外の地域でも用いられているという。だが、
衛星同様に固定の通信網に頼る仕組みではリスクの完全排除は難しく、今回の「量子コンパス」のような自立型のシステムが大きな意味を持ってくる。

続く

英国防衛省傘下のDSTLが推進する「量子コンパス」

量子コンパスにおける最新研究のひとつは、5月14日（英国時間）付けのFinancial Timesの「MoD’s ‘quantum compass’ offers potential to replace GPS」という記事に詳しい。

英国防衛省（UK Ministry of Defence：MoD）傘下のDSTL（Defence Science and Technology Laboratory）で
進められている研究の成果として開発されたのは、1辺1mほどの靴箱のような量子コンパスだ（関連リンク）。
現在は実用化と小型化の段階の途中にあり、もう数年もすると一部軍事用途での活用が始まるかもしれない。

先ほど潜水艦の例を出したが、途中の燃料補給や燃焼のための酸素を必要としないため、数ヵ月間もの
連続潜行が可能な原子力潜水艦の場合、位置情報の取得は非常に重要な意味を持つ。

だが、潜行中はGPSのような衛星の位置情報取得が利用できず、位置補正のために浮上していたのでは原子力潜水艦の意味をなさない。
量子コンパスは、こうした用途で非常に大きな役割を果たす。そして最終的にはGPSがそうであったように、
より小型軽量化が進められ、スマートフォンのような小型デバイスへの搭載が可能になる時代がそう遠くないうちに到来するかもしれない。


どのように位置の特定しているか

では、衛星や地上アンテナを用いない量子コンパスは、どのように位置の特定を可能にしているのか？
その名のとおり、原子レベルのミクロな世界での物体の挙動を観測する「量子物理学」の技術を応用している。
ベースとなっているのは2001年にノーベル物理学賞を受賞した「ボース＝アインシュタイン凝縮」に関する研究で、
原子にレーザー光を当てて絶対零度近くにまで冷却し、“原子の雲”と呼ばれる超低エネルギーの圧縮状態を作り出す仕組みを応用したものだ。

このような過程で作られた原子の雲はレーザー光でさえ閉じ込めることが可能な状態であり、
さらに外部の干渉に対して過敏に反応する。この状態で外部の放射線の影響をギリギリまで排除すると、
地球の電磁気に対してのみ過敏に反応するようになる。この変化を測定することで、衛星や地上アンテナのような
補助システムなしで、デバイス単独で位置情報を取得できるというわけだ。まだ初期の研究段階ながら、
このような形で生成した超低エネルギーのイオン原子を閉じ込めたチップを観測することで、超高精度な位置測定が可能になるとDSTLでは説明している。


Nokia、日立、東芝の量子技術研究センターがすべて英国内に

この量子コンパスを用いた位置情報システム開発は、DSTLでも最優先の研究事項となっており、
昨年2013年には量子技術研究に2億7000万ポンド（約463億円）もの金額が投じられることが発表されている。

Financial Timesによれば、英国はこの分野の研究では世界的リーダーの地位にあり、Nokia、日立、
東芝といった企業の量子技術研究センターはすべて英国内に設置されているのだという。
そして今回の研究を元にしたプロトタイプも3??5年内には登場すると、同研究を率いているNeil Stansfield氏は説明している。
応用分野も前述の原子力潜水艦だけでなく、今後の小型化により各兵士の装備品のひとつとして利用できる可能性が示唆されている。
　
また「GPS Daily」によれば、この研究は位置情報測定だけでなく、時間の正確な測定も可能にするという。
この技術を応用することで、世界中のどれよりも正確な原子時計の開発が可能になるというのだ。
前述のように、ボース＝アインシュタイン凝縮が初めて観測されたのはほんの20年ほど前の出来事であり、
この分野での研究が盛んになったのはここ10年ほどのことだ。その意味で、次の10年にはまた驚くような技術の進展が見られるのかもしれない。


終わりです。

ジャイロコンパスを越えて、量子スピンに至ったわけか

胸熱だな

高精度な磁気センサーってこと？地磁気なんて鉱物やなんやらで同じ緯度でもバラつきありまくりだろ
地震なんか起きたら狂いまくるような

量子コンパスの原理について>>1はなにも説明してない気がするのだが・・・

変化量測定だと意味がない気がするんだけど

人工の星の電波降り注ぎ 絶えず我を導きにけり

3040年も前から研究してるのかよ
すげーな、ぉぃ

渡り鳥は似たような機構が体内にあって方向を間違えずに海を渡れるとかいうのが最近の研究であったような気がする。

今と違うのは衛星を打ち上げなくてもいいのと、潜水艦が便利になることと、他国からの干渉を受けなくてもいいところか
つまり技術的に劣勢な国にとって有利ということか
中国メシウマだな

方位だけ分かっても位置は分からないと思うんだが。
加速度積分すんなら従来と変わらんし。

どうやってスタンドアロンで位置を割り出すのか、さっぱりわからん

途中でGPS使えなくなっても東西南北への進行方向がよくわかるから、補完に使える！ってだけのこと？

漁師にコンパスは必需品

　遠洋ともなればなおのこと

>>3に漸く読みたい内容が出てくると言う糞記事ｗ

お後がよろしいようで…

なるほど解らん

アメリカとロシアは昔、基礎研究やってたから強いんだろうな。

ビーコンじゃだめなの？

緯度によって、地球の磁気の強さは違うから、緯度はわかるだろう
問題は、経度をどうやって割り出すかだな
地球の磁気が一定かあるいは、規則性があるなら
磁気地図を作成すれば、経度も判明するのかな
この
量子コンパスが極小チップになれば
日本国内だけでしか動作しない製品
なんてのが開発可能になる訳だ
支那や朝鮮に不正輸出されたら、位置情報で動作しない機器とか開発可能になれば
いろいろと便利になるわなぁ

元記事も>1の引用も肝心のことがわからないな。
こういうことらしい。

・レーザー冷却などで少量の原子を極低温にして
　ボーズアインシュタイン凝縮体（BEC体）にする
・BEC体の原子は干渉することができるくらい綺麗な物質波（原子波）になっている

・この物質波を二つの経路に通す。例えば光子一つの反跳を受けた
　原子波と二つの反跳を受けた原子波。
　物質波は外部加速度の影響を受けるが初速ベクトルが異なるから
　距離の異なる経路を通る。再び反跳させて同じ場所へ導き二つの波の
　干渉を調べると外部加速度ベクトルを高精度で逆算することができる。

・加速度以外に、電磁場や回転など、干渉計とかソリトン運動などで
　調べられることなら色々なセンシングに応用が利く。

鳥の目には「クリプトクロム」というタンパク質を含んだ特殊な視覚細胞が存在することが明らかになった。
光子が目に入り、クリプトクロムにぶつかると「量子もつれの状態で存在する電子」にエネルギーが供給される。

地球の磁場のみの影響下にあるコマドリは、方角を間違えることなくアフリカへと渡りを行なうことができるが、
地球磁場のほかにもう1つ振動磁場の影響が加わると、コマドリの体内コンパスは正常に働かなくなることが証明された

だそうだ。

民生品にはなりそうにねえな

>>11
逆、ていうか技術的に劣勢な国が有利になることはない

GPSは初打ち上げが1978年の古い技術で公開情報も多いから
今なら技術的に劣勢な国でも十分な予算さえあれば模倣可能だが
こういう最先端技術は基礎研究や素材の開発や入手からつまずく

しかも民間市場では現状のGPSで十分間に合わせることができるので
そう簡単に民生品は登場しないだろうからコピーも出来ない

>>22 そう、これ　鳥は青いもやの様な地磁気パターンを見ながら渡る

>>20
地球表面の詳細な地磁気マップを作成出来れば出発点さえわかれば位置特定出来るかもしれない。

GPSがいらない利点はあるが、別の方向で高い難易度が必要とされるな。

オーバーハウザー磁力計のことかな？
いずれにせよコンパス＋加速度計じゃないと位置決定はできないとおもう。

>>25
鳥は「方向をなんとなく感じて飛んでる」のじゃなく、
道路標識のように目で見て判断して飛んでるということか？

宇宙から飛んでくる素粒子のうち，強いものの方向をいくつか検出して位置を割り出すとかできないの？

>>29
それだとちょっとした太陽フレアの影響で使えなくなりそう

やっぱ海の男の感が一番信頼できるってことだな

さすがに精度低すぎるだろ
今と同じコストでのGPSの精度も向上してるだろうし

訳「みちびき打ち上げるな」

たいそうな名前がついているが、早い話が地磁気を読む高精度コンパス。
磁場は、世界各地で偏差が複雑で常にすこしづつ変化してるから、リファレンスを
修正し続けなければならないし、方位はわかるが緯度経度はわからない。
原理は面白いけど、工業製品としてそこまでやるメリットはないだろう。
原理はレーザジャイロみたいなもんだろうし、たぶん絶対0度近くまでの冷却が必要。
すでにある宇宙空間と地上の電波施設を使うのがもっとも低コストで確実なのではないかな。

N極とS極は地球が誕生してから数百回逆転している。
平均すると100万年に1回だから、人類誕生以前の話だが。

>>34
工業製品としてはメリットなくても軍事的にはあるんじゃないか？
中国が開発してる衛星破壊兵器が無意味になる

3040年前から研究してようやく見えてきたって事か

>ボース＝アインシュタイン凝縮が初めて観測されたのはほんの20年ほど前の出来事

超流動の立場なしってこと？

日立製作所と東芝の株を買えということでいいの。
あと、ボース・アインシュタイン凝縮を勉強するには、どんな参考書がありますか。講談社のブルーバックスの中にありませんか。
あと、南部先生は、ボース・アインシュタイン凝縮に関わっておられますか。

>>39
楽しようとするとろくなことにならない。量子力学をまともな教科書で
修めることをすすめる

>>38
超流動は有限温度では常流動体と混合だとか
BECは三次の相転移、超流動転移は二次の相転移とか微妙に違うらしい

精度は悪く設備も大きいが、衛星なしでできるところがみそ。

地磁気の影響を受けるのであれば
月の重力の影響も受けるんだろう、その凝縮体は
完璧な時間が判るというのはそういうことなんじゃないか

これで経度も測定できるよね

地磁気で現在地を測定するのか？

それ、磁石を近づけただけで狂うだろ・・・

>>11
劣等な国というよりアメリカ以外全部が得をする
自前でできるわけだからな

これ、衛星の効力の及ばない地中や海底とかでも使えるようになったりするの？

地球の中心核付近は無理だと思うけどそれ以外は平気そう

>また「GPS Daily」によれば、この研究は位置情報測定だけでなく、時間の正確な測定も可能にするという。

光格子による原子時計なら、研究どころかとっくに実用化されてるじゃん

>>21
>・加速度以外に、電磁場や回転など、干渉計とかソリトン運動などで
>　調べられることなら色々なセンシングに応用が利く。

応用が利くというより、外部からいろんな手段で妨害できるってことだよな

>>48
興味ある外場の影響は強調されるように
興味ない影響は原理的に打ち消されるように、とか設計するのでは

これ対潜哨戒機のMADに有用じゃね

>>21
レーザー式の慣性航法装置であかんの？(´・ω・｀)
制度がけた違いとか？？

寧ろ逆に優秀だろ
他に別に優良だろ
当然正反対に優雅だろ

やっぱりコンパスで位置を検出する原理がさっぱり分からん
記事の中で原理を簡単に説明してくれればいいのに

この分野ではイギリスがリードって
記事に出てる研究所は全部外国資本じゃん

どうでもいいからよ〜
さっさと原子時計の電池駆動の香具師をセイコーかカシオが出せやコラ
電波時計なんざもうオワコンなんだよ！

>>55
なんだこの2chの遺物みたいなレス

>>56
釣れた!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

>>57
そんな餌に釣られクマー

>>58まで釣れた!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

福岡で研究して、「福岡のYAWARAちゃん」と名付けよう

>>60
釣れた!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

超音波テロの被害にあっています。
卑劣極まりない被害にあっています。

何が起こったかわからないときから、
わかってみれば、
まだ世の中に知られていない超音波テロ。

日本中どこにいても超音波で襲われる。
罪もない社会的立場のある人が襲われ、
茶化され、いたぶられています。

被害を訴えても信じてもらえない。
人間の身体を壊そうとする、超音波による物理的な力。
ものが飛び、ものが壊れる、それが人間の身体にまで。
身体の各部分が攻撃され、押され、飛ばされ、つぶされる。
頭蓋骨に音の振動、意識を失わされ、
聞こえる声、音。超音波テロの加害者の声。
卑劣な内容、卑猥な内容、脅しやいたぶり。

心の底から被害を訴え、祈っています。
天に神に届きますように。

六分儀
時計
方位磁石

どれの事いってるの？

役立たずと罵られていたのがせっかくGPSで存在理由を見いだせてたのに

また一般相対論は量子力学に負けるのか

太陽からのニュートリノでも捕らえるのかな？　正確な時計と太陽の方向が判れば緯度経度は求まるだろうけど

>>39
田崎晴明『統計力学』培風館
がおすすめ

これ，SQUIDとかジョセフソン素子のことじゃないの？

GPSの代用なら、天体のパルサーを使っても位置と時間の特定が可能。
もちろんGPSと違ってパルスの一つ一つに「このパルスは何番目のパルスか」という情報は載ってないので同時に5個以上のパルサーが必要となる。

・・・と最近思いついたんだが、パルサーから、物体を通り抜けるニュートリノ等は放出されてるんだっけ？

地下探索の手法を使って、

音声周波数帯の電波受信して、信号処理で地形データを得て　
地形データのデータベースから位置を認識するという手法はあるかもな。

それがダメなら、
一度GPSで位置が判れば、あとはその地形データの移動量から位置更新するとか。

音声帯なら海中でもOK
自分で電波出すわけじゃないから潜水艦でもOK