A csúcstechnológiás kvantumérzékelők műholdak nélkül is irányíthatják a járműveket, ha bírják az utazást.
Amikor kvantum-inerciális érzékelőkről beszélünk, nem valószínű, hogy olyan szavakat mondanak ki, mint a „kemény” vagy a „masszív”. Ezek a figyelemre méltó tudományos műszerek ezerszer pontosabban tudják mérni a mozgást, mint a mai rakéták, drónok és repülőgépek navigálását segítő eszközök. Az összetett lézer- és vákuumrendszert magában foglaló, finom, asztalnyi komponenssor azonban lényegében megalapozta a technológiát, és a laboratórium ellenőrzött beállításaira korlátozta.
Jongmin Lee ezen akar változtatni.
Az atomfizikus a Sandia egy csapatának tagja, amely a kvantum-inerciális érzékelőket forradalmi, fedélzeti navigációs segédeszközként képzeli el. A csapat azon dolgozik, hogy az érzékelőt kompakt, robusztus eszközzé alakítsák át, ahol a technológia biztonságosan irányíthatja a járműveket, ha a GPS-jelek elakadnak vagy elvesznek.
Az elképzelésük megvalósítása felé vezető mérföldkőként a csapat sikeresen megkonstruált egy hidegatom interferométert. Ez a kvantumérzékelők alapvető összetevője, és a verziójukat sokkal kisebbre és keményebbre tervezték, mint a tipikus laboratóriumi beállítások. A csapat leírja prototípusukat egy tanulmányban, amely nemrég jelent meg az akadémiai folyóiratban Nature Communications, amely bemutatja, hogyan lehet több normálisan elválasztott komponenst egyetlen monolitikus szerkezetbe integrálni. Ennek során egy nagy optikai asztalon létező rendszer kulcsfontosságú elemeit egy robusztus, nagyjából egy cipősdoboz méretű csomagra redukálták.
"Nagyon nagy érzékenységet mutattak be a laboratóriumban, de a gyakorlati szempontok az, hogy az embereknek csökkenteniük kell méretüket, súlyukat és teljesítményüket, majd le kell küzdeniük a különböző problémákat egy dinamikus környezetben" - mondta Jongmin. .
A cikk egy ütemtervet is ismertet a rendszer további miniatürizálására a fejlesztés alatt álló technológiák felhasználásával.
A Sandia laboratóriumi irányítású kutatási és fejlesztési programja által finanszírozott prototípus jelentős előrelépéseket mutat a fejlett navigációs technológiának a laboratóriumból való áthelyezése felé a földön, a föld alatt, a levegőben és még az űrben is.
A Globális Helymeghatározó Rendszer (GPS) a világ körül keringő műholdak konstellációja, amely helyzet-, navigációs és időzítési adatokat szolgáltat katonai és polgári felhasználók számára szerte a világon. A GPS műholdak 12 óránként keringenek a Föld körül, folyamatosan továbbítva navigációs jeleket. Megfelelő felszereléssel a felhasználók legalább négy műholdjelet vehetnek az idő, a hely és a sebesség kiszámításához. A jelek olyan pontosak, hogy az időt a másodperc milliomod részen belül, a sebességet a mérföld/óra töredékén, a helyzetet pedig 100 lábon belül meg lehet határozni.
Az ultraérzékeny mérések növelik a navigációs teljesítményt
Ahogy egy sugárhajtású repülőgép hordóval gördül át az égen, a jelenlegi fedélzeti navigációs technológia egy ideig mérni tudja a repülőgép dőlését, fordulatait és gyorsulását, hogy GPS nélkül is kiszámítsa a pozícióját. Jongmin szerint a kis mérési hibák fokozatosan letérítik a járművet az irányból, hacsak nem szinkronizálódik rendszeresen a műholdakkal.
A kvantumérzékelés ugyanígy működne, de a sokkal nagyobb pontosság azt jelentené, hogy a fedélzeti navigációnak nem kellene olyan gyakran átellenőriznie a számításait, ami csökkenti a műholdas rendszerektől való függést.
Roger Ding, egy posztdoktori kutató, aki a projekten dolgozott, azt mondta: „Elvileg nincsenek gyártási eltérések és kalibrálások”, összehasonlítva a hagyományos érzékelőkkel, amelyek idővel változhatnak, és újra kell kalibrálni őket.
Aaron Ison, a projekt vezető mérnöke elmondta, hogy az atominterferométer dinamikus környezetre való felkészítéséhez ő és csapata extrém környezetben bevált anyagokat használt. Ezenkívül az általában különálló és szabadon álló alkatrészeket összeépítették és a helyükre rögzítették, vagy kézi reteszelő mechanizmusokkal építették őket.
„A lehető legkevesebb csavarozott felülettel rendelkező monolitikus szerkezet kulcsfontosságú volt egy masszívabb atominterferométer-struktúra létrehozásához” – mondta Aaron.
Ezen túlmenően a csapat ipari szabvány számításokat, úgynevezett végeselem-elemzést használt annak előrejelzésére, hogy a rendszer bármilyen deformációja a hagyományos környezetben az előírt engedményeken belül marad. A Sandia nem végzett mechanikai igénybevételi teszteket vagy helyszíni teszteket az új kialakításon, ezért további kutatásokra van szükség az eszköz szilárdságának mérésére.
„Az általános kicsi, kompakt kialakítás természetesen egy merevebb, robusztusabb szerkezet felé vezet” – mondta Aaron.
A fotonika lehetővé teszi a miniatűrebb rendszer felé vezető utat
A legtöbb modern atominterferometriás kísérlet stabilitási okokból egy nagy optikai asztalra szerelt lézerrendszert használ, mondta Roger. A Sandia készüléke viszonylag kompakt, de a csapat már további tervezési fejlesztésekkel állt elő annak érdekében, hogy a kvantumérzékelőket az integrált fotonikus technológiák segítségével sokkal kisebbre tegyék.
"Tíz-száz olyan elem van, amely egy fillérnél kisebb chipre helyezhető" - mondta Peter Schwindt, a projekt vezető kutatója és a kvantumérzékelés szakértője.
A fotonikus eszközök, mint például a lézer vagy az optikai szál, fényt használnak a hasznos munka elvégzéséhez, és az integrált eszközök sok különböző elemet tartalmaznak. A fotonikát széles körben használják a távközlésben, és a folyamatban lévő kutatások egyre kisebbek és sokoldalúbbá teszik őket.
A további fejlesztésekkel Peter úgy gondolja, hogy az interferométernek akár néhány literes hely is lehet. Az az álma, hogy egy üdítős doboz méretűt készítsen.
Cikkükben a Sandia csapata felvázol egy jövőbeli tervet, amelyben a lézerbeállításuk nagy részét egyetlen fotonikus integrált áramkör váltja fel, mindkét oldalon körülbelül nyolc milliméteres. Az optikai komponensek áramkörbe integrálása nemcsak kisebbé tenné az atominterferométert, hanem masszívabbá is tenné az alkatrészek rögzítésével.
Bár a csapat ezt még nem tudja megtenni, sok fotonikus technológia, amelyre szükségük van, jelenleg fejlesztés alatt áll a Sandiánál.
„Ez egy járható út a rendkívül miniatürizált rendszerek felé” – mondta Roger.
Eközben Jongmin szerint az integrált fotonikus áramkörök valószínűleg csökkentik a költségeket és javítják a méretezhetőséget a jövőbeni gyártás során.
„Sandia ambiciózus elképzelést mutatott be a navigáció kvantumérzékelésének jövőjével kapcsolatban” – mondta Jongmin.
Hivatkozás: „Kompakt hidegatom interferométer nagy adatsebességű rácsos magneto-optikai csapdával és fotonikus integrált áramkörrel kompatibilis lézerrendszerrel”, Jongmin Lee, Roger Ding, Justin Christensen, Randy R. Rosenthal, Aaron Ison, Daniel P. Gillund, David Bossert, Kyle H. Fuerschbach, William Kindel, Patrick S. Finnegan, Joel R. Wendt, Michael Gehl, Ashok Kodigala, Hayden McGuinness, Charles A. Walker, Shanalyn A. Kemme, Anthony Lentine, Grant Biedermann és Peter DD Schwindt, 1. szeptember 2022., Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-31410-4