У найдрібніших масштабах наш Всесвіт стає дивним. Частинки діють як більярдні кулі або хвилі на воді, залежно від того, як ви їх досліджуєте. Властивості не можна виміряти одночасно або мають тенденцію до невизначеного розмазування в діапазоні значень. Людська інтуїція підводить нас.
Протягом більшої частини минулого століття всі ці дивацтва були в основному сферою діяльності фізиків. Але останнім часом теоретичне та експериментальне перейшли на бік практичного. Ця тенденція найбільш помітна у зростаючому звіринці ранні квантові комп'ютери, але дивна квантова поведінка корисна не лише для обчислень. Деякі вчені та інженери будують квантові комунікаційні мережі, які неможливо зламати; інші дивляться на датчики.
В одному з останніх попередній друк, опублікований на arXiv, команда Французького національного центру наукових досліджень описує квантовий акселерометр, який використовує лазери та ультрахолодні атоми рубідію для вимірювання руху в усіх трьох вимірах із надзвичайною точністю.
Робота поширює квантові акселерометри в третій вимір і може забезпечити точну навігацію без GPS і надійне виявлення цінних родовищ корисних копалин під ногами.
Атомні хвилі
Ми вже щодня покладаємося на акселерометри. Візьміть телефон, і дисплей засвітиться. Переверніть його на бік, і сторінка, яку ви читаєте, змінить орієнтацію. Крихітний механічний акселерометр — по суті маса, прикріплена до пружинного механізму — робить ці дії можливими (разом з іншими датчиками, як-от гіроскопи). Щоразу, коли телефон рухається в просторі, його акселерометр відстежує цей рух. Це стосується коротких проміжків часу, коли GPS відключається, як-от у тунелях або мертвих точках стільникового сигналу.
Незважаючи на те, що вони корисні, механічні акселерометри мають тенденцію виходити з ладу. Якщо їх залишити досить довго, вони будуть накопичувати помилки на кілометровій шкалі. Це не є критичним для телефонів, які на короткий час не мають зв’язку з GPS, але це проблема, коли пристрої подорожують поза зоною дії протягом тривалого часу. А для промислового та військового застосування точне відстеження позиції було б корисним на підводних човнах, які не мають доступу до GPS під водою, або як резервна навігація на кораблях, якщо вони втратять GPS.
Дослідники давно розробляють квантові акселерометри щоб підвищити точність позиційного відстеження. Замість вимірювання маси, що стискає пружину, квантові акселерометри вимірюють хвилеподібні властивості матерії. Пристрої використовують лазери для сповільнення та охолодження хмар атомів. У цьому стані атоми поводяться як хвилі світла, створюючи інтерференційні картини під час руху. Більше лазерів індукують і вимірюють, як ці моделі змінюються, щоб відстежувати місцезнаходження пристрою в просторі.
На початку ці пристрої, які називалися атомними інтерферометрами, являли собою безлад дротів і інструментів, що розкидалися по лабораторних столах і могли вимірювати лише один вимір. Але з розвитком лазерів і досвіду вони стали меншими та міцнішими — і тепер вони стали 3D.
Квантове оновлення
Новий 3D-квантовий акселерометр, розроблений командою у Франції, виглядає так металева коробка довжиною приблизно з ноутбук. Він використовує лазери вздовж усіх трьох просторових осей для маніпулювання та вимірювання хмари атомів рубідію, захоплених у невеликій скляній коробці та охолоджених майже до абсолютного нуля. Подібно до попередніх квантових акселерометрів, ці лазери викликають брижі в хмарі атомів і інтерпретують отримані інтерференційні картини для вимірювання руху.
Щоб підвищити стабільність і пропускну здатність (вимоги для використання поза лабораторією), новий пристрій поєднує показання класичних і квантових акселерометрів у циклі зворотного зв’язку, який використовує сильні сторони обох технологій.
Оскільки команда може контролювати атоми з надзвичайною точністю, вони можуть робити такі ж точні вимірювання. Щоб перевірити акселерометр, вони прикріпили його до столу, налаштованого на струшування та обертання, і виявили, що система в 50 разів точніша за класичні навігаційні датчики. За кілька годин положення пристрою, виміряне класичним акселерометром, відхилилося на кілометр; квантовий акселерометр фіксував його з точністю до 20 метрів.
Збіжний промінь
Акселерометр, який все ще є відносно великим і важким, не скоро буде готовий для вашого iPhone. Але зроблений трохи меншим і міцнішим, команда каже, що його можна встановити на кораблі чи підводні човни для точної навігації. Або він може потрапити в руки польових геологів, які шукають родовища корисних копалин, вимірюючи незначні зміни сили тяжіння.
Інші групи також працюють над мініатюризацією та посиленням квантових датчиків для поля. Команда з національної лабораторії Sandia нещодавно побудувала інтерферометр з холодним атомом, як той, що використовується тут, у міцний пакет розміром приблизно з коробку для взуття. У документі, що описує роботу, дослідники Sandia кажуть, що подальша мініатюризація, ймовірно, буде зумовлена досягненнями в фотонні чіпи. Вони кажуть, що в майбутньому необхідні оптичні компоненти для холодноатомного інтерферометра, подібного до їхнього, зможуть розміститися на чіпі лише у вісім міліметрів.
Більше квантових датчиків, як гіроскопи, може приєднатися до партії. Хоча їм також знадобиться кілька раундів усадки та зміцнення, перш ніж втекти з лабораторії.
Наразі перехід на 3D – це крок уперед.
«Вимірювання в трьох вимірах — це велика справа, необхідний і чудовий інженерний крок до будь-якого практичного використання квантових акселерометрів», — нещодавно Джон Клоуз з Австралійського національного університету. сказав New Scientist.
Автор зображення: інтерференційні візерунки з’являються в хмарі холодних атомів рубідію, захоплених квантовим гіроскопом / Національний інститут стандартів і технологій (NIST)
