På de minsta skalorna blir vårt universum konstigt. Partiklar fungerar som biljardbollar eller vågor på vatten, beroende på hur du sonderar dem. Egenskaper kan inte mätas samtidigt eller tenderar att smeta ut osäkert över ett intervall av värden. Mänsklig intuition sviker oss.
Under stora delar av förra seklet var allt detta konstigt mestadels fysikers område. Men på senare tid har det teoretiska och experimentella gått mot det praktiska. Denna trend är mest synlig i det växande menageriet av tidiga kvantdatorer, men bisarrt kvantbeteende är användbart för mer än beräkning. Vissa forskare och ingenjörer bygger unhackable kvantkommunikationsnätverk; andra har ögonen på sensorer.
I en nyligen förtryckspapper som läggs ut på arXiv, beskriver ett team vid det franska nationella centret för vetenskaplig forskning en kvantaccelerometer som använder lasrar och ultrakalla rubidiumatomer för att mäta rörelse i alla tre dimensioner med extrem precision.
Arbetet utökar kvantaccelerometrar till den tredje dimensionen och kan ge exakt navigering utan GPS och tillförlitlig upptäckt av värdefulla mineralfyndigheter under fötterna.
Atomvågor
Vi förlitar oss redan på accelerometrar dagligen. Lyft upp en telefon och displayen tänds. Vänd den på sidan och sidan du läser ändrar orientering. En liten mekanisk accelerometer - i grunden en massa fäst vid en fjäderliknande mekanism - gör dessa åtgärder möjliga (tillsammans med andra sensorer, som gyroskop). Närhelst en telefon rör sig genom rymden spårar dess accelerometer den rörelsen. Detta inkluderar korta tidsperioder när GPS faller ut, som i tunnlar eller döda punkter för cellsignaler.
Användbara som de är, mekaniska accelerometrar tenderar att glida ut ur smällen. Om de lämnas tillräckligt länge kommer de att samla fel på kilometerskalan. Detta är inte kritiskt för telefoner som kortvarigt saknar kontakt med GPS, men det är ett problem när enheter går utanför räckvidd under längre perioder. Och för industriella och militära tillämpningar skulle exakt positionsspårning vara användbar på ubåtar – som inte kan komma åt GPS under vattnet – eller som backupnavigering på fartyg om de skulle tappa GPS.
Forskare har länge utvecklats kvantaccelerometrar för att förbättra noggrannheten för positionsspårning. Istället för att mäta en massa som komprimerar en fjäder, mäter kvantaccelerometrar materiens vågliknande egenskaper. Enheterna använder lasrar för att bromsa och kyla moln av atomer. I detta tillstånd beter sig atomerna som vågor av ljus och skapar interferensmönster när de rör sig. Fler lasrar inducerar och mäter hur dessa mönster förändras för att spåra enhetens plats genom rymden.
Tidigt var dessa enheter, kallade atominterferometrar, en röra av kablar och instrument som spred sig över labbbänkar och kunde bara mäta en dimension. Men i takt med att lasrar och expertis har utvecklats har de blivit mindre och tuffare – och nu har de blivit 3D.
En kvantuppgradering
Den nya 3D-kvantaccelerometern, utvecklad av teamet i Frankrike, ser ut en metalllåda ungefär lika lång som en bärbar dator. Den använder lasrar längs alla tre rumsliga axlar för att manipulera och mäta ett moln av rubidiumatomer fångade i en liten glaslåda och kylda nästan till absolut noll. Liksom tidigare kvantaccelerometrar, inducerar dessa lasrar krusningar i molnet av atomer och tolkar de resulterande interferensmönstren för att mäta rörelse.
För att förbättra stabiliteten och bandbredden – krav för användning utanför labbet – kombinerar den nya enheten avläsningar från klassiska och kvantaccelerometrar i en återkopplingsslinga som drar nytta av båda teknikernas styrkor.
Eftersom teamet kan kontrollera atomerna med extrem precision, kan de göra liknande exakta mätningar. För att testa accelerometern fäste de den på ett bord som var riggat för att skaka och rotera och fann att systemet var 50 gånger mer exakt än klassiska sensorer av navigeringsgrad. Under ett intervall av timmar var enhetens position mätt med en klassisk accelerometer avstängd med en kilometer; kvantaccelerometern spikade den till inom 20 meter.
Krympstråle
Accelerometern, som fortfarande är relativt stor och tung, kommer inte att vara redo för din iPhone snart. Men gjort lite mindre och mer robust, säger teamet att det kan installeras på fartyg eller ubåtar för exakt navigering. Eller det kan hitta sin väg i händerna på fältgeologer som jagar mineralfyndigheter genom att mäta subtila förändringar i gravitationen.
Andra grupper arbetar också med att miniatyrisera och skärpa kvantsensorer för fältet. Ett team vid Sandia National Laboratory byggde nyligen en kallatominterferometer – som den som används här – till en robust förpackning ungefär lika stor som en skokartong. I en artikel som beskriver arbetet säger Sandia-forskarna att ytterligare miniatyrisering sannolikt kommer att drivas av framsteg inom fotoniska chips. I framtiden, säger de, kan de nödvändiga optiska komponenterna för en kallatominterferometer som deras passa på ett chip bara åtta millimeter åt sidan.
Fler kvantsensorer, som gyroskop, får gå med i festen. Även om de också behöver några omgångar av krympning och skärpning innan de flyr labbet.
För närvarande är 3D ett steg framåt.
"Att mäta i tre dimensioner är en stor sak, ett nödvändigt och utmärkt tekniskt steg mot all praktisk användning av kvantaccelerometrar," Australian National Universitys John Close nyligen berättade New Scientist.
Bildkredit: Interferensmönster visas i ett moln av kalla rubidiumatomer fångade i ett kvantgyroskop / National Institute of Standards and Technology (NIST)
