La cele mai mici scale, universul nostru devine ciudat. Particulele acționează ca niște mingi de biliard sau valurile pe apă, în funcție de modul în care le sondați. Proprietățile nu pot fi măsurate simultan sau tind să apară nesigur pe un interval de valori. Intuiția umană ne eșuează.
În cea mai mare parte a secolului trecut, toată această ciudățenie a fost în mare parte domeniul fizicienilor. Dar, mai recent, teoreticul și experimentalul s-au îndreptat spre practic. Această tendință este cel mai vizibilă în menajeria în creștere a calculatoarele cuantice timpurii, dar comportamentul cuantic bizar este util pentru mai mult decât pentru calcul. Unii oameni de știință și ingineri construiesc rețelele de comunicații cuantice inexplorabile; alții au ochii pe senzori.
Într-un recent hârtie pre-tipărită postată pe arXiv, o echipă de la Centrul Național de Cercetare Științifică din Franța descrie un accelerometru cuantic care folosește lasere și atomi de rubidiu ultrareci pentru a măsura mișcarea în toate cele trei dimensiuni cu o precizie extremă.
Lucrarea extinde accelerometrele cuantice în cea de-a treia dimensiune și ar putea aduce o navigare precisă fără GPS și detectarea fiabilă a depozitelor minerale valoroase sub picioare.
Unde atomice
Ne bazăm deja pe accelerometre zilnic. Ridicați un telefon și afișajul se aprinde. Rotiți-l pe o parte și pagina pe care o citiți își schimbă orientarea. Un mic accelerometru mecanic - practic o masă atașată la un mecanism asemănător cu arc - face posibile aceste acțiuni (alături de alți senzori, cum ar fi giroscoapele). Ori de câte ori un telefon se mișcă prin spațiu, accelerometrul său urmărește acea mișcare. Aceasta include perioade scurte de timp atunci când GPS-ul cade, cum ar fi în tuneluri sau în punctele moarte ale semnalului celular.
Oricât de utile sunt, accelerometrele mecanice tind să se îndepărteze. Lăsați suficient de mult, vor acumula erori la scara de kilometri. Acest lucru nu este esențial pentru telefoanele care nu au contact pentru scurt timp cu GPS-ul, dar este o problemă atunci când dispozitivele călătoresc în afara razei de acoperire pentru perioade îndelungate. Iar pentru aplicațiile industriale și militare, urmărirea pozițională precisă ar fi utilă pe submarine – care nu pot accesa GPS-ul sub apă – sau ca navigație de rezervă pe nave în cazul în care își pierd GPS-ul.
Cercetătorii s-au dezvoltat de mult accelerometre cuantice pentru a îmbunătăți acuratețea urmăririi poziționale. În loc să măsoare o masă care comprimă un arc, accelerometrele cuantice măsoară proprietățile ondulatorii ale materiei. Dispozitivele folosesc lasere pentru a încetini și răci norii de atomi. În această stare, atomii se comportă ca undele de lumină, creând modele de interferență pe măsură ce se mișcă. Mai multe lasere induc și măsoară modul în care aceste modele se schimbă pentru a urmări locația dispozitivului în spațiu.
La început, aceste dispozitive, numite interferometre atomice, erau o mizerie de fire și instrumente întinse pe băncile de laborator și puteau măsura doar o dimensiune. Dar, pe măsură ce laserele și expertiza au avansat, au devenit mai mici și mai dure – iar acum au devenit 3D.
O actualizare cuantică
Noul accelerometru cuantic 3D, dezvoltat de echipa din Franța, arată așa o cutie metalică de aproximativ lungimea unui laptop. Folosește lasere de-a lungul tuturor celor trei axe spațiale pentru a manipula și măsura un nor de atomi de rubidiu prinși într-o cutie mică de sticlă și răcit aproape la zero absolut. Ca și accelerometrele cuantice anterioare, aceste lasere induc ondulații în norul de atomi și interpretează modelele de interferență rezultate pentru a măsura mișcarea.
Pentru a îmbunătăți stabilitatea și lățimea de bandă - cerințe pentru utilizare în afara laboratorului - noul dispozitiv combină citirile de la accelerometre clasice și cuantice într-o buclă de feedback care valorifică punctele forte ale ambelor tehnologii.
Deoarece echipa poate controla atomii cu o precizie extremă, ei pot face măsurători la fel de precise. Pentru a testa accelerometrul, ei l-au atașat la o masă gata să se scuture și să se rotească și au descoperit că sistemul este de 50 de ori mai precis decât senzorii clasici de navigație. Într-un interval de ore, poziția dispozitivului, măsurată de un accelerometru clasic, a fost oprită cu un kilometru; accelerometrul cuantic l-a băgat în cuie la 20 de metri.
Rază de micșorare
Accelerometrul, care este încă relativ mare și greu, nu va fi gata pentru iPhone în curând. Dar făcută puțin mai mică și mai robustă, echipa spune că ar putea fi instalată pe nave sau submarine pentru o navigație precisă. Sau s-ar putea să-și găsească drumul în mâinile geologilor de teren care vânează zăcăminte minerale prin măsurarea modificărilor subtile ale gravitației.
Alte grupuri lucrează, de asemenea, pentru a miniaturiza și a întări senzorii cuantici pentru domeniu. O echipă de la Laboratorul Național Sandia a construit recent un interferometru cu atom rece – ca cel folosit aici – într-un pachet robust de dimensiunea unei cutii de pantofi. Într-o lucrare care descrie lucrarea, cercetătorii Sandia spun că miniaturizarea ulterioară va fi probabil determinată de progresele în cipuri fotonice. În viitor, spun ei, componentele optice necesare pentru un interferometru cu atom rece ca al lor s-ar putea încadra pe un cip la doar opt milimetri pe o parte.
Mai mulți senzori cuantici, precum giroscoapele, se poate alătura partidului. Deși vor avea nevoie și de câteva runde de micșorare și întărire înainte de a scăpa din laborator.
Deocamdată, trecerea în 3D este un pas înainte.
„Măsurarea în trei dimensiuni este o mare problemă, un pas ingineresc necesar și excelent către orice utilizare practică a accelerometrelor cuantice”, a spus recent John Close, de la Australian National University. a spus New Scientist.
Credit imagine: Modelele de interferență apar într-un nor de atomi de rubidiu reci prinși într-un giroscop cuantic / Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST)
