على أصغر المقاييس ، يصبح كوننا غريبًا. تعمل الجزيئات مثل كرات البلياردو أو الأمواج على الماء ، اعتمادًا على كيفية فحصها. لا يمكن قياس الخصائص في وقت واحد أو تميل إلى التشويه بشكل غير مؤكد على نطاق من القيم. لقد فشلنا الحدس البشري.
طوال معظم القرن الماضي ، كانت كل هذه الغرابة في الغالب من اختصاص الفيزيائيين. ولكن في الآونة الأخيرة ، اتجهت النظرية والتجريبية نحو العملي. هذا الاتجاه هو الأكثر وضوحا في حديقة الحيوانات المتنامية الحواسيب الكمومية المبكرة، لكن السلوك الكمي الغريب مفيد لأكثر من الحساب. يقوم بعض العلماء والمهندسين بالبناء شبكات الاتصالات الكمومية غير قابلة للاختراق؛ البعض الآخر يضع أعينهم على أجهزة الاستشعار.
في الآونة الأخيرة ورق ما قبل الطباعة منشور على ملف arXivوصف فريق في المركز الوطني الفرنسي للبحوث العلمية مقياس تسارع كمي يستخدم الليزر وذرات الروبيديوم فائقة البرودة لقياس الحركة في جميع الأبعاد الثلاثة بدقة متناهية.
يمتد العمل إلى مقاييس التسارع الكمومية إلى البعد الثالث ويمكن أن يجلب الملاحة الدقيقة بدون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والكشف الموثوق به عن الرواسب المعدنية القيمة تحت الأقدام.
الموجات الذرية
نحن نعتمد بالفعل على مقاييس التسارع يوميًا. التقط هاتفًا وستضيء الشاشة. اقلبه على جانبه وستبدل الصفحة التي تقرأها الاتجاه. إن مقياس التسارع الميكانيكي الصغير - وهو أساسًا كتلة مرتبطة بآلية تشبه الزنبرك - يجعل هذه الإجراءات ممكنة (جنبًا إلى جنب مع أجهزة الاستشعار الأخرى ، مثل الجيروسكوبات). عندما يتحرك الهاتف عبر الفضاء ، يقوم مقياس التسارع الخاص به بتتبع تلك الحركة. يتضمن ذلك فترات زمنية قصيرة عندما يسقط نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، كما هو الحال في الأنفاق أو المناطق الميتة لإشارة الخلايا.
على الرغم من كونها مفيدة ، تميل مقاييس التسارع الميكانيكية إلى الانحراف عن مسارها. إذا تُركت طويلة بما يكفي ، فسوف تتراكم الأخطاء على مقياس الكيلومترات. هذا ليس بالغ الأهمية بالنسبة للهواتف التي لا تعمل لفترة وجيزة مع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، ولكنها مشكلة عندما تنتقل الأجهزة خارج النطاق لفترات طويلة. وبالنسبة للتطبيقات الصناعية والعسكرية ، سيكون التتبع الدقيق للمواقع مفيدًا في الغواصات - التي لا يمكنها الوصول إلى نظام تحديد المواقع العالمي تحت الماء - أو كملاحة احتياطية على السفن في حالة فقدها لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
لطالما كان الباحثون يتطورون مقاييس التسارع الكمومية لتحسين دقة التتبع الموضعي. بدلاً من قياس كتلة ضغط زنبرك ، تقوم مقاييس التسارع الكمومي بقياس الخصائص الشبيهة بالموجة للمادة. تستخدم الأجهزة الليزر لإبطاء وتبريد سحب الذرات. في هذه الحالة ، تتصرف الذرات مثل موجات الضوء ، مما يخلق أنماط تداخل أثناء تحركها. المزيد من الليزر تحفز وتقيس كيفية تغير هذه الأنماط لتتبع موقع الجهاز عبر الفضاء.
في وقت مبكر من هذه الأجهزة ، التي كانت تسمى مقاييس التداخل الذري ، كانت عبارة عن فوضى من الأسلاك والأدوات الممتدة عبر مقاعد المختبر ويمكن أن تقيس بُعدًا واحدًا فقط. ولكن مع تقدم الليزر والخبرة ، أصبحت أصغر حجمًا وأكثر صرامة - والآن أصبحت ثلاثية الأبعاد.
ترقية الكم
يبدو أن مقياس التسارع الكمومي ثلاثي الأبعاد الجديد ، الذي طوره الفريق في فرنسا ، يشبه صندوق معدني بطول جهاز كمبيوتر محمول. يستخدم الليزر على طول جميع المحاور المكانية الثلاثة لمعالجة وقياس سحابة من ذرات الروبيديوم المحصورة في صندوق زجاجي صغير ومبردة تقريبًا إلى الصفر المطلق. مثل مقاييس التسارع الكمومية السابقة ، تُحدث هذه الليزرات تموجات في سحابة الذرات وتفسر أنماط التداخل الناتجة لقياس الحركة.
لتحسين الاستقرار وعرض النطاق الترددي - متطلبات الاستخدام خارج المختبر - يجمع الجهاز الجديد قراءات من مقاييس التسارع الكلاسيكية والكمية في حلقة تغذية مرتدة تعزز نقاط القوة في كلتا التقنيتين.
نظرًا لأن الفريق يمكنه التحكم في الذرات بدقة متناهية ، فيمكنهم إجراء قياسات دقيقة مماثلة. لاختبار مقياس التسارع ، قاموا بتثبيته على منضدة مهيأة للاهتزاز والتدوير ووجدوا أن النظام كان أكثر دقة 50 مرة من أجهزة الاستشعار الكلاسيكية للملاحة. على مدى ساعات ، كان موضع الجهاز كما تم قياسه بواسطة مقياس التسارع الكلاسيكي متوقفًا عن العمل بمقدار كيلومتر واحد ؛ قام مقياس التسارع الكمي بتثبيته في نطاق 20 مترًا.
شعاع تقليص
لن يكون مقياس التسارع ، الذي لا يزال كبيرًا وثقيلًا نسبيًا ، جاهزًا لجهاز iPhone قريبًا. يقول الفريق إنه جعلها أصغر قليلاً وأكثر قوة ، يمكن تثبيتها على السفن أو الغواصات من أجل الملاحة الدقيقة. أو قد تجد طريقها إلى أيدي علماء الجيولوجيا الميدانيين الذين يصطادون الرواسب المعدنية عن طريق قياس التغيرات الطفيفة في الجاذبية.
تعمل مجموعات أخرى أيضًا على تصغير وتقوية أجهزة الاستشعار الكمومية في هذا المجال. قام فريق في مختبر سانديا الوطني مؤخرًا ببناء مقياس تداخل ذرة باردة - مثل ذلك المستخدم هنا - في جهاز حزمة وعرة حول حجم صندوق الأحذية. في ورقة بحثية تصف العمل ، يقول باحثو سانديا إن المزيد من التصغير من المرجح أن يكون مدفوعًا بالتقدم في رقائق فوتونية. ويقولون إن المكونات الضوئية الضرورية لمقياس تداخل للذرة الباردة مثل تلك الخاصة بهم قد تناسب في المستقبل شريحة ثمانية ملليمترات فقط في أحد الجوانب.
المزيد من أجهزة الاستشعار الكمومية ، مثل الجيروسكوبات، قد تنضم إلى الحزب. على الرغم من أنهم سيحتاجون أيضًا إلى بضع جولات من التقلص والتشديد قبل الهروب من المختبر.
في الوقت الحالي ، يعد الانتقال إلى الأبعاد الثلاثية خطوة للأمام.
"القياس في ثلاثة أبعاد هو أمر كبير ، وخطوة هندسية ضرورية وممتازة نحو أي استخدام عملي لمقاييس التسارع الكمومي" ، هذا ما قاله جون كلوز من الجامعة الوطنية الأسترالية مؤخرًا قال عالم جديد.
حقوق الصورة: تظهر أنماط التداخل في سحابة من ذرات الروبيديوم الباردة المحصورة في جيروسكوب كمي / المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST)
