בקנה מידה הכי קטן, היקום שלנו נעשה מוזר. חלקיקים פועלים כמו כדורי ביליארד או גלים על מים, תלוי איך אתה חוקר אותם. לא ניתן למדוד מאפיינים בו-זמנית או נוטים להימרח בחוסר וודאות על פני טווח של ערכים. האינטואיציה האנושית מכשילה אותנו.
במשך רוב המאה הקודמת, כל המוזרות הזו הייתה בעיקר נחלתם של הפיזיקאים. אבל לאחרונה, התיאורטי והניסיוני התחדדו לעבר המעשי. מגמה זו בולטת בעיקר במנגריה ההולכת וגוברת של מחשבים קוונטיים מוקדמים, אבל התנהגות קוונטית מוזרה שימושית ליותר מאשר לחישוב. כמה מדענים ומהנדסים בונים רשתות תקשורת קוונטיות בלתי ניתנות לפריצה; אחרים מסתכלים על חיישנים.
בחודש האחרון נייר טרום הדפסה שפורסם ב-arXiv, צוות במרכז הלאומי הצרפתי למחקר מדעי מתאר מד תאוצה קוונטי המשתמש בלייזרים ובאטומי רובידיום קרים במיוחד כדי למדוד תנועה בכל שלושת המימדים בדיוק רב.
העבודה מרחיבה את מדי התאוצה הקוונטיים למימד השלישי ויכולה להביא ניווט מדויק ללא GPS וזיהוי אמין של מרבצי מינרלים יקרי ערך מתחת לרגליים.
גלים אטומיים
אנחנו כבר מסתמכים על מדי תאוצה מדי יום. הרם טלפון והתצוגה נדלקת. סובבו אותו על הצד והעמוד שאתה קורא מחליף כיוון. מד תאוצה מכני זעיר - בעצם מסה המחוברת למנגנון דמוי קפיץ - מאפשר את הפעולות הללו (לצד חיישנים אחרים, כמו גירוסקופים). בכל פעם שטלפון נע בחלל, מד התאוצה שלו עוקב אחר התנועה הזו. זה כולל פרקי זמן קצרים כאשר GPS נושר, כמו במנהרות או בנקודות מתות של אותות סלולריים.
שימושי ככל שיהיו, מדי תאוצה מכאניים נוטים להיסחף מהבית. אם נשארים מספיק זמן, הם יצברו שגיאות בקנה מידה של קילומטרים. זה לא קריטי עבור טלפונים מנותקים לזמן קצר עם GPS, אבל זה בעיה כאשר מכשירים יוצאים מחוץ לטווח לתקופות ממושכות. ועבור יישומים תעשייתיים וצבאיים, מעקב מיקום מדויק יהיה שימושי בצוללות - שאינן יכולות לגשת ל-GPS מתחת למים - או בתור ניווט גיבוי בספינות אם הן יאבדו GPS.
חוקרים מתפתחים זה מכבר מדי תאוצה קוונטיים כדי לשפר את הדיוק של מעקב מיקום. במקום למדוד מסה הדוחסת קפיץ, מדי תאוצה קוונטיים מודדים את התכונות דמויות הגל של החומר. המכשירים משתמשים בלייזרים כדי להאט ולקרר עננים של אטומים. במצב זה, האטומים מתנהגים כמו גלי אור, ויוצרים דפוסי הפרעה בזמן שהם נעים. לייזרים נוספים מעוררים ומודדים כיצד דפוסים אלה משתנים כדי לעקוב אחר מיקומו של המכשיר בחלל.
בתחילת הדרך מכשירים אלה, שנקראו אינטרפרומטרים אטומים, היו בלגן של חוטים ומכשירים שרועים על פני ספסלי מעבדה ויכלו למדוד רק מימד אחד. אבל ככל שהלייזרים והמומחיות התקדמו, הם הפכו קטנים יותר וקשוחים יותר - ועכשיו הם עברו לתלת-ממד.
שדרוג קוונטי
מד התאוצה הקוונטי התלת מימדי החדש, שפותח על ידי הצוות בצרפת, נראה כך קופסת מתכת באורך של מחשב נייד. הוא משתמש בלייזרים לאורך כל שלושת הצירים המרחביים כדי לתפעל ולמדוד ענן של אטומי רובידיום שנלכדו בקופסת זכוכית קטנה וצונן כמעט עד לאפס מוחלט. כמו מדי תאוצה קוונטיים קודמים, הלייזרים הללו גורמים לאדוות בענן האטומים ומפרשים את דפוסי ההפרעות המתקבלים כדי למדוד תנועה.
כדי לשפר את היציבות ורוחב הפס - דרישות לשימוש מחוץ למעבדה - המכשיר החדש משלב קריאות ממדדי תאוצה קלאסיים וקוונטיים בלולאת משוב הממנפת את החוזקות של שתי הטכנולוגיות.
מכיוון שהצוות יכול לשלוט באטומים בדיוק רב, הם יכולים לבצע מדידות מדויקות באופן דומה. כדי לבחון את מד התאוצה, הם חיברו אותו לשולחן המבוסס לטלטול ולסיבוב וגילו שהמערכת מדויקת פי 50 מחיישנים קלאסיים בדרגת ניווט. במשך פרק זמן של שעות, מיקום המכשיר כפי שנמדד על ידי מד תאוצה קלאסי כבה בקילומטר; מד התאוצה הקוונטי סידר אותו למרחק של 20 מטרים.
לכווץ ריי
מד התאוצה, שעדיין גדול וכבד יחסית, לא יהיה מוכן לאייפון שלכם בקרוב. אבל נעשה קצת יותר קטן וחזק יותר, הצוות אומר שזה יכול להיות מותקן על ספינות או צוללות לניווט מדויק. או שהוא עשוי למצוא את דרכו לידיהם של גיאולוגים שדה הצודים מרבצי מינרלים על ידי מדידת שינויים עדינים בכוח המשיכה.
קבוצות אחרות פועלות גם למזעור ולהקשיח חיישנים קוונטיים לתחום. צוות במעבדה הלאומית של סנדיה בנה לאחרונה אינטרפרומטר בעל אטום קר - כמו זה המשמש כאן - לתוך חבילה קשוחה בערך בגודל של קופסת נעליים. במאמר המתאר את העבודה, חוקרי Sandia אומרים כי מזעור נוסף יהיה מונע על ידי התקדמות בתחום שבבים פוטוניים. בעתיד, הם אומרים, הרכיבים האופטיים הדרושים לאינטרפרומטר בעל אטום קר כמו שלהם עשויים להתאים על שבב רק שמונה מילימטרים בצד.
חיישנים קוונטיים נוספים, כמו ג'ירוסקופים, רשאי להצטרף למסיבה. אם כי הם יצטרכו גם כמה סיבובים של כיווץ והקשחה לפני שיברחו מהמעבדה.
לעת עתה, מעבר לתלת מימד הוא צעד קדימה.
"מדידה בתלת מימד היא עניין גדול, צעד הנדסי הכרחי ומצוין לקראת כל שימוש מעשי במדי תאוצה קוונטיים", ג'ון קלוז מהאוניברסיטה הלאומית האוסטרלית לאחרונה. אמר לי מדען חדש.
קרדיט תמונה: דפוסי הפרעות מופיעים בענן של אטומי רובידיום קרים הכלואים בג'ירוסקופ קוונטי / המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST)
