Квантовий компас незабаром може зробити навігацію без GPS

Віха у квантовому зондуванні наближається, обіцяючи надзвичайно точну навігацію без GPS. Розберіть смартфон, фітнес-трекер або гарнітуру віртуальної реальності, і всередині ви знайдете крихітний датчик руху, який відстежує його положення та рух. Більші та дорожчі версії тієї ж технології, розміром із грейпфрут і в тисячу разів точніші, допомагають керувати кораблями, літаками та іншими транспортними засобами за допомогою GPS.

Зараз вчені намагаються зробити датчик руху настільки точним, що міг би мінімізувати залежність країни від супутників глобального позиціонування. Донедавна такий датчик — у тисячу разів чутливіший за сучасні пристрої навігаційного класу — заповнив би вантажівку, що рухається. Але прогрес різко зменшує розмір і вартість цієї технології.

Дослідники з національних лабораторій Sandia вперше використали компоненти кремнієвих фотонних мікрочіпів для виконання квантової методики, яка називається атомною інтерферометрією, надточного способу вимірювання прискорення. Це остання віха на шляху до розробки свого роду квантового компаса для навігації, коли сигнали GPS недоступні.

Команда опублікувала свої висновки та представила новий високоефективний кремнієвий фотонний модулятор — пристрій, який контролює світло на мікрочіпі — як обкладинку в журналі Science Advances.

Дослідження було підтримано програмою Sandia’s Laboratory Directed Research and Development. Це відбулося, зокрема, в National Security Photonics Center, спільному дослідницькому центрі, що розробляє інтегровані фотонічні рішення для складних проблем у секторі національної безпеки.

Навігація без GPS є питанням національної безпеки

«Точна навігація стає проблемою в реальних сценаріях, коли сигнали GPS недоступні», — сказав учений Sandia Джонмін Лі. У зоні бойових дій ці виклики становлять загрозу національній безпеці, оскільки підрозділи радіоелектронної боротьби можуть глушити або підробляти супутникові сигнали, щоб перешкоджати переміщенню військ і операціям.

Квантовий датчик пропонує рішення.

«Використовуючи принципи квантової механіки, ці вдосконалені датчики забезпечують неперевершену точність у вимірюванні прискорення та кутової швидкості, забезпечуючи точну навігацію навіть у місцях, де заборонено GPS», — сказав Лі.

Модулятор є центральною частиною лазерної системи на чіпі

Як правило, атомний інтерферометр – це сенсорна система, яка заповнює невелику кімнату. Повний квантовий компас — точніше його називають квантовим інерціальним вимірювальним блоком — потребує шести атомних інтерферометрів.

Але Лі та його команда знайшли способи зменшити його розмір, вагу та потреби в електроенергії. Вони вже замінили великий енергоємний вакуумний насос на вакуумну камеру розміром з авокадо та об’єднали кілька компонентів, які зазвичай делікатно розташовані на оптичному столі, в єдиний жорсткий апарат.

Новий модулятор є центральною частиною лазерної системи на мікрочіпі. Досить міцний, щоб витримувати сильні вібрації, він замінив би звичайну лазерну систему розміром з холодильник.

Лазери виконують кілька завдань в атомному інтерферометрі, і команда Sandia використовує чотири модулятори для зміщення частоти одного лазера для виконання різних функцій. Однак модулятори часто створюють небажане відлуння, яке називається бічними смугами, яке необхідно пом’якшити.

Односмуговий модулятор Sandia з пригніченою несучою частотою зменшує ці бічні смуги на безпрецедентні 47,8 децибела — міра, яка часто використовується для опису інтенсивності звуку, але також застосовна до інтенсивності світла — що призводить до зниження майже в 100 000 разів.

«Ми суттєво покращили продуктивність порівняно з тим, що існує», — сказав учений Sandia Ашок Кодігала.

Кремнієвий пристрій масового виробництва та більш доступний

Окрім розміру, основною перешкодою для розгортання пристроїв квантової навігації була вартість. Кожен атомний інтерферометр потребує лазерної системи, а лазерні системи потребують модуляторів.

«Лише один повнорозмірний односмуговий модулятор, комерційно доступний, коштує понад 10 000 доларів», — сказав Лі.

Мініатюризація громіздких дорогих компонентів у кремнієві фотонні чіпи допомагає знизити ці витрати.

«Ми можемо зробити сотні модуляторів на одній 8-дюймовій пластині та навіть більше на 12-дюймовій пластині», — сказав Кодігала.

І оскільки вони можуть бути виготовлені за тим же процесом, що й практично всі комп’ютерні мікросхеми, «цей складний чотириканальний компонент, включаючи додаткові спеціальні функції, можна масово виробляти за значно нижчою ціною порівняно з сучасними комерційними альтернативами, що дозволяє виробляти квантову інерційні вимірювальні одиниці за зниженою ціною», — сказав Лі.

У міру того як технологія наближається до польового розгортання, команда вивчає інші способи використання, окрім навігації. Дослідники досліджують, чи може це допомогти знайти підземні порожнини та ресурси, виявляючи крихітні зміни, які вони вносять у силу тяжіння Землі. Вони також бачать потенціал для оптичних компонентів, які вони винайшли, включаючи модулятор, у LIDAR, квантових обчисленнях та оптичному зв’язку.

«Я думаю, що це справді захоплююче», — сказав Кодігала. «Ми робимо великий прогрес у мініатюризації для багатьох різних програм».

Мультидисциплінарна команда перетворює концепцію квантового компаса в реальність

Лі та Кодігала представляють дві половини мультидисциплінарної команди. Одна половина, включаючи Лі, складається з експертів з квантової механіки та атомної фізики. Інша половина, як і Кодігала, є фахівцями в кремнієвій фотоніці — подумайте про мікрочіп, але замість електрики, що проходить по його колах, є пучки світла.

Ці команди співпрацюють у Мікросистемному інженерно-науковому комплексі Sandia, де дослідники розробляють, виробляють і тестують чіпи для програм національної безпеки.

«У нас є колеги, з якими ми можемо піти в зал і поговорити про це та з’ясувати, як вирішити ці ключові проблеми для цієї технології, щоб вивести її в поле», — сказав Пітер Швіндт, науковець із квантового зондування Sandia.

Грандіозний план команди — перетворити атомні інтерферометри на компактний квантовий компас — усуває розрив між фундаментальними дослідженнями в академічних установах і комерційними розробками в технологічних компаніях. Атомний інтерферометр є перевіреною технологією, яка може стати чудовим інструментом для навігації без GPS. Постійні зусилля Sandia спрямовані на те, щоб зробити його більш стабільним, придатним для використання та комерційно життєздатним.

Центр фотоніки національної безпеки співпрацює з промисловістю, малим бізнесом, академічними та державними установами для розробки нових технологій і допомоги у випуску нових продуктів. Sandia має сотні виданих патентів і десятки інших, які переслідуються, що підтримує її місію.

«Мені дуже хочеться побачити, як ці технології переходять у реальні програми», — сказав Швіндт.

Майкл Гел, науковець із Sandia, який працює з кремнієвою фотонікою, поділяє таку ж пристрасть. «Приємно бачити, як наші фотонічні чіпи використовуються в реальних програмах», — сказав він.