Zbliża się kamień milowy w dziedzinie wykrywania kwantowego, który zapewnia niezwykle dokładną nawigację bez GPS.
Rozbierz smartfon, tracker fitness lub zestaw słuchawkowy do wirtualnej rzeczywistości, a w środku znajdziesz maleńki czujnik ruchu śledzący jego położenie i ruch. Większe, droższe wersje tej samej technologii, wielkości grejpfruta i tysiąc razy dokładniejsze, pomagają nawigować statkami, samolotami i innymi pojazdami za pomocą GPS pomoc.
Teraz naukowcy próbują stworzyć czujnik ruchu tak precyzyjny, aby zminimalizować zależność kraju od satelitów globalnego pozycjonowania. Do niedawna taki czujnik – tysiąc razy czulszy niż dzisiejsze urządzenia nawigacyjne – wypełniał jadącą ciężarówkę. Jednak postęp radykalnie zmniejsza rozmiar i koszt tej technologii.
Po raz pierwszy naukowcy z Sandia National Laboratories wykorzystali komponenty krzemowych mikrochipów fotonicznych do przeprowadzenia techniki wykrywania kwantowego zwanej atom interferometria, ultraprecyzyjna metoda pomiaru przyspieszenia. Jest to najnowszy kamień milowy w kierunku opracowania czegoś w rodzaju kompasu kwantowego do nawigacji, gdy sygnały GPS są niedostępne.
Zespół opublikował swoje ustalenia i wprowadził nowy, wysokowydajny krzemowy modulator fotoniczny – urządzenie kontrolujące światło w mikrochipie – jak napisano na okładce czasopisma Postęp nauki.
Badania były wspierane przez program badań i rozwoju ukierunkowanych na laboratorium Sandii. Częściowo odbyło się w Centrum Fotoniki Bezpieczeństwa Narodowego – wspólnym ośrodku badawczym opracowującym zintegrowane rozwiązania fotoniczne dla złożonych problemów w sektorze bezpieczeństwa narodowego.
Nawigacja bez GPS kwestią bezpieczeństwa narodowego
„Dokładna nawigacja staje się wyzwaniem w rzeczywistych scenariuszach, gdy sygnały GPS są niedostępne” – powiedział naukowiec z Sandii, Jongmin Lee.
W strefie działań wojennych wyzwania te stwarzają ryzyko dla bezpieczeństwa narodowego, ponieważ elektroniczne jednostki bojowe mogą zakłócać lub fałszować sygnały satelitarne, aby zakłócać ruchy i operacje wojsk.
Rozwiązaniem jest wykrywanie kwantowe.
„Dzięki wykorzystaniu zasad mechaniki kwantowej te zaawansowane czujniki zapewniają niezrównane możliwości dokładność w pomiarze przyspieszenia i prędkości kątowej, umożliwiając precyzyjną nawigację nawet w obszarach pozbawionych sygnału GPS” – powiedział Lee.
Modulator Centralny element systemu laserowego w skali chipowej
Zazwyczaj interferometr atomowy to system czujników wypełniający małe pomieszczenie. Kompletny kompas kwantowy – dokładniej nazywany kwantową inercyjną jednostką miary – wymagałby interferometrów z sześcioma atomami.
Jednak Lee i jego zespół znaleźli sposoby na zmniejszenie jego rozmiaru, wagi i zapotrzebowania na moc. Zastąpili już dużą, energochłonną pompę próżniową komorą próżniową wielkości awokado i połączyli kilka elementów zwykle delikatnie rozmieszczonych na stole optycznym w jedno sztywne urządzenie.
Nowy modulator jest centralnym elementem systemu laserowego umieszczonego w mikrochipie. Wystarczająco wytrzymały, aby wytrzymać silne wibracje, zastąpiłby konwencjonalny system laserowy, zwykle wielkości lodówki.
Lasery wykonują w interferometrze atomowym kilka zadań, a zespół Sandii wykorzystuje cztery modulatory do przesuwania częstotliwości pojedynczego lasera w celu wykonywania różnych funkcji.
Jednakże modulatory często tworzą niepożądane echa zwane wstęgami bocznymi, które należy złagodzić.
Jednowstęgowy modulator Sandii z tłumioną nośną redukuje te pasma boczne o bezprecedensową wartość 47,8 decybeli — miara często używana do opisu natężenia dźwięku, ale ma również zastosowanie do natężenia światła — co daje prawie 100 000-krotny spadek.
„Drastycznie poprawiliśmy wydajność w porównaniu z tym, co jest dostępne” – powiedział naukowiec z Sandii, Ashok Kodigala.
Urządzenie silikonowe produkowane masowo i tańsze
Oprócz rozmiaru główną przeszkodą we wdrażaniu kwantowych urządzeń nawigacyjnych są koszty. Każdy interferometr atomowy potrzebuje systemu laserowego, a systemy laserowe potrzebują modulatorów.
„Tylko jeden pełnowymiarowy modulator jednowstęgowy, dostępny na rynku, kosztuje ponad 10 000 dolarów” – powiedział Lee.
Miniaturyzacja nieporęcznych, drogich komponentów w krzemowe chipy fotoniczne pomaga obniżyć te koszty.
„Możemy wyprodukować setki modulatorów na pojedynczej 8-calowej płytce, a nawet więcej na 12-calowej płytce” – powiedział Kodigala.
A ponieważ można je wytwarzać przy użyciu tego samego procesu, co praktycznie wszystkie chipy komputerowe, „Ten wyrafinowany czterokanałowy komponent, zawierający dodatkowe niestandardowe funkcje, może być produkowany masowo po znacznie niższych kosztach w porównaniu z dzisiejszymi komercyjnymi alternatywami, umożliwiając produkcję układów kwantowych inercyjne jednostki miary po obniżonych kosztach” – powiedział Lee.
W miarę jak technologia zbliża się do zastosowania w terenie, zespół bada inne zastosowania poza nawigacją. Naukowcy badają, czy mogłoby to pomóc w lokalizacji podziemnych zagłębień i zasobów poprzez wykrywanie drobnych zmian, jakie powodują one w sile grawitacyjnej Ziemi. Widzą także potencjał wynalezionych przez siebie elementów optycznych, w tym modulatora, w LIDAR-ie, obliczenia kwantowei łączność optyczna.
„Myślę, że to naprawdę ekscytujące” – powiedział Kodigala. „Robimy duży postęp w miniaturyzacji dla wielu różnych zastosowań”.
Multidyscyplinarny zespół przenoszący koncepcję kompasu kwantowego do rzeczywistości
Lee i Kodigala reprezentują dwie połowy multidyscyplinarnego zespołu. Jedna połowa, w tym Lee, składa się z ekspertów w dziedzinie mechaniki kwantowej i fizyki atomowej. Druga połowa, podobnie jak Kodigala, to specjaliści w dziedzinie fotoniki krzemowej — pomyśl o mikrochipie, ale zamiast prądu przepływającego przez jego obwody, są wiązki światła.
Zespoły te współpracują w kompleksie Microsystems Engineering, Science and Applications w Sandii, gdzie badacze projektują, produkują i testują chipy do zastosowań związanych z bezpieczeństwem narodowym.
„Mamy kolegów, z którymi możemy pójść na korytarz, porozmawiać o tym i dowiedzieć się, jak rozwiązać te kluczowe problemy, aby ta technologia mogła zostać wdrożona w terenie” – powiedział Peter Schwindt, naukowiec zajmujący się wykrywaniem kwantowym w Sandia.
Wielki plan zespołu — przekształcenie interferometrów atomowych w kompaktowy kompas kwantowy — wypełnia lukę między badaniami podstawowymi w instytucjach akademickich a rozwojem komercyjnym w firmach technologicznych. Interferometr atomowy to sprawdzona technologia, która może być doskonałym narzędziem do nawigacji pozbawionej sygnału GPS. Ciągłe wysiłki Sandii mają na celu uczynienie go bardziej stabilnym, możliwym do zastosowania i opłacalnym komercyjnie.
Centrum Fotoniki Bezpieczeństwa Narodowego współpracuje z przemysłem, małymi firmami, środowiskiem akademickim i agencjami rządowymi w celu opracowywania nowych technologii i pomocy we wprowadzaniu nowych produktów. Sandia ma setki wydanych patentów i dziesiątki kolejnych w postępowaniu karnym, które wspierają jej misję.
„Pasjonuje mnie możliwość wykorzystania tych technologii w rzeczywistych zastosowaniach” – powiedział Schwindt.
Tę samą pasję podziela Michael Gehl, naukowiec z Sandii zajmujący się fotoniką krzemową. „Wspaniale jest widzieć, jak nasze chipy fotoniczne są wykorzystywane w rzeczywistych zastosowaniach” – powiedział.
Odniesienie: „Wysokowydajne krzemowe fotoniczne modulatory jednostronne do interferometrii zimnych atomów” autorstwa Ashoka Kodigali, Michaela Gehla, Gregory’ego W. Hotha, Jongmina Lee, Christophera T. DeRose, Andrew Pomerene, Christiny Dallo, Douglasa Trottera, Andrew L. Starbuck, Grant Biedermann, Peter DD Schwindt i Anthony L. Lentine, 10 lipca 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.ade4454
