در کوچک‌ترین مقیاس‌ها، جهان ما عجیب می‌شود. ذرات بسته به اینکه چگونه آنها را بررسی می کنید مانند توپ های بیلیارد یا امواج روی آب عمل می کنند. ویژگی ها را نمی توان به طور همزمان اندازه گیری کرد یا تمایل به لکه دار شدن نامطمئن در محدوده ای از مقادیر دارند. شهود انسانی ما را ناکام می کند.
در بخش اعظم قرن گذشته، همه این چیزهای عجیب و غریب بیشتر در حوزه فیزیکدانان بود. اما اخیراً، نظری و تجربی به سمت عملی پیش رفته اند. این روند بیشتر در باغ‌های رو به رشد مشاهده می‌شود کامپیوترهای کوانتومی اولیه، اما رفتار کوانتومی عجیب و غریب برای بیش از محاسبات مفید است. برخی از دانشمندان و مهندسان در حال ساخت و ساز هستند شبکه های ارتباطی کوانتومی غیرقابل هک; دیگران چشمشان به حسگرها است.
در اخیر کاغذ پیش چاپ ارسال شده در arXivتیمی در مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه شتاب‌سنج کوانتومی را توصیف می‌کنند که از لیزر و اتم‌های روبیدیم فوق‌سرد برای اندازه‌گیری حرکت در هر سه بعد با دقت بسیار زیاد استفاده می‌کند.
این کار شتاب‌سنج‌های کوانتومی را به بعد سوم گسترش می‌دهد و می‌تواند ناوبری دقیق بدون GPS و شناسایی قابل اعتماد ذخایر معدنی ارزشمند زیر پا را به ارمغان بیاورد.
امواج اتمی
ما در حال حاضر روزانه به شتاب‌سنج‌ها متکی هستیم. گوشی را بردارید و صفحه نمایش روشن می شود. آن را به سمت خود بچرخانید و صفحه ای که در حال خواندن آن هستید جهت گیری را تغییر می دهد. یک شتاب‌سنج مکانیکی کوچک - اساساً جرمی که به مکانیزمی فنر مانند متصل است - این اعمال را ممکن می‌سازد (در کنار سنسورهای دیگر، مانند ژیروسکوپ). هر زمان که تلفنی در فضا حرکت می کند، شتاب سنج آن حرکت را ردیابی می کند. این شامل بازه‌های زمانی کوتاهی است که GPS خارج می‌شود، مانند تونل‌ها یا نقاط مرده سیگنال سلولی.
شتاب‌سنج‌های مکانیکی هر چند مفید هستند، تمایل دارند از کار بیفتند. اگر به اندازه کافی رها شوند، خطاهایی در مقیاس کیلومتر جمع می شوند. این برای تلفن هایی که برای مدت کوتاهی با GPS تماس ندارند، مهم نیست، اما زمانی که دستگاه ها برای مدت طولانی خارج از محدوده حرکت می کنند، مشکلی است. و برای کاربردهای صنعتی و نظامی، ردیابی دقیق موقعیت در زیردریایی‌ها - که نمی‌توانند به GPS در زیر آب دسترسی پیدا کنند - یا به عنوان ناوبری پشتیبان در کشتی‌ها در صورت از دست دادن GPS مفید است.
محققان مدتهاست در حال توسعه هستند شتاب سنج های کوانتومی برای بهبود دقت ردیابی موقعیت. به جای اندازه گیری جرمی که یک فنر را فشرده می کند، شتاب سنج های کوانتومی خواص موج مانند ماده را اندازه گیری می کنند. این دستگاه ها از لیزر برای کند کردن و خنک کردن ابرهای اتم استفاده می کنند. در این حالت، اتم ها مانند امواج نور رفتار می کنند و در حین حرکت الگوهای تداخلی ایجاد می کنند. لیزرهای بیشتر نحوه تغییر این الگوها را برای ردیابی مکان دستگاه در فضا القا و اندازه گیری می کنند.
در اوایل این دستگاه‌ها، که تداخل‌سنج اتمی نامیده می‌شدند، سیم‌ها و ابزارهای زیادی روی نیمکت‌های آزمایشگاه پخش می‌شدند و فقط یک بعد را می‌توانستند اندازه‌گیری کنند. اما با پیشرفت لیزرها و تخصص، کوچکتر و سخت‌تر شده‌اند و اکنون سه بعدی شده‌اند.
ارتقاء کوانتومی
شتاب‌سنج کوانتومی سه بعدی جدید که توسط این تیم در فرانسه ساخته شده است، به نظر می‌رسد یک جعبه فلزی به اندازه طول یک کامپیوتر لپ تاپ. از لیزر در امتداد هر سه محور فضایی برای دستکاری و اندازه‌گیری ابری از اتم‌های روبیدیم که در یک جعبه شیشه‌ای کوچک به دام افتاده و تقریباً تا صفر مطلق سرد شده‌اند، استفاده می‌کند. مانند شتاب‌سنج‌های کوانتومی قبلی، این لیزرها امواجی را در ابر اتم‌ها ایجاد می‌کنند و الگوهای تداخل حاصل را برای اندازه‌گیری حرکت تفسیر می‌کنند.
برای بهبود پایداری و پهنای باند - الزامات برای استفاده در خارج از آزمایشگاه - دستگاه جدید خوانش‌های شتاب‌سنج‌های کلاسیک و کوانتومی را در یک حلقه بازخورد ترکیب می‌کند که از نقاط قوت هر دو فناوری استفاده می‌کند.
از آنجایی که این تیم می تواند اتم ها را با دقت بسیار زیاد کنترل کند، می توانند اندازه گیری های دقیق مشابهی انجام دهند. برای آزمایش شتاب‌سنج، آنها آن را به میزی که برای تکان دادن و چرخاندن آن نصب شده بود وصل کردند و متوجه شدند که این سیستم 50 برابر دقیق‌تر از سنسورهای کلاسیک درجه ناوبری است. در طی چند ساعت، موقعیت دستگاه که توسط یک شتاب‌سنج کلاسیک اندازه‌گیری می‌شد، یک کیلومتر خاموش بود. شتاب‌سنج کوانتومی آن را به فاصله 20 متری میخکوب کرد.
ری کوچک کنید
شتاب سنج که هنوز نسبتاً بزرگ و سنگین است، به زودی برای آیفون شما آماده نخواهد شد. اما این تیم که کمی کوچکتر و قوی تر شده است، می گوید که می تواند برای ناوبری دقیق روی کشتی ها یا زیردریایی ها نصب شود. یا ممکن است با اندازه گیری تغییرات ظریف در گرانش، راه خود را به دست زمین شناسان صحرایی بیابد که ذخایر معدنی را شکار می کنند.
گروه های دیگر نیز در حال کار برای کوچک سازی و تقویت حسگرهای کوانتومی برای این میدان هستند. تیمی در آزمایشگاه ملی ساندیا اخیراً یک تداخل سنج اتم سرد - مانند آنچه در اینجا استفاده می شود - در بسته بندی ناهموار به اندازه یک جعبه کفش. در مقاله‌ای که این کار را توصیف می‌کند، محققان Sandia می‌گویند کوچک‌سازی بیشتر احتمالاً با پیشرفت‌هایی در تراشه های فوتونیک. آنها می گویند در آینده، اجزای نوری لازم برای یک تداخل سنج اتم سرد مانند آنها ممکن است روی یک تراشه که فقط هشت میلی متر در یک طرف قرار دارد، قرار گیرد.
سنسورهای کوانتومی بیشتر، مانند ژیروسکوپ، ممکن است به حزب بپیوندد. اگرچه آنها همچنین قبل از فرار از آزمایشگاه به چند دور کوچک شدن و سفت شدن نیاز دارند.
در حال حاضر، سه بعدی شدن یک گام به جلو است.
جان کلوز از دانشگاه ملی استرالیا اخیراً گفت: "اندازه گیری در سه بعدی یک کار بزرگ است، یک گام مهندسی ضروری و عالی برای استفاده عملی از شتاب سنج های کوانتومی." گفته شده دانشمند جدید.
اعتبار تصویر: الگوهای تداخلی در ابری از اتم های روبیدیم سرد که در یک ژیروسکوپ کوانتومی به دام افتاده اند ظاهر می شوند / موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST)
