Учёные сделали решающий шаг к созданию портативного «квантового компаса», который в будущем может помочь людям ориентироваться без использования системы глобального позиционирования (GPS).
Учёным удалось миниатюризировать лазерную систему, которая обычно занимает пространство размером с холодильник, для выполнения метода измерения, называемого атомной интерферометрией. Теперь эта система умещается на силиконовом микрочипе, как сообщила команда 10 июля в журнале Science Advances.
«Я думаю, что это действительно захватывающе, — заявил ведущий автор исследования Ашок Кодигала (Ashok Kodigala), специалист по силиконовой фотонике из Национальной лаборатории Сандия в Альбукерке, США. — Мы добились большого прогресса в миниатюризации для множества различных приложений.»
Подобно свету, электроны иногда ведут себя как волны. Атомная интерферометрия использует это свойство для точного измерения ускорения, вращения и угловой скорости. Эти переменные могут помочь пользователям квантового компаса измерять и отслеживать своё местоположение без использования GPS, которая основана на непрерывной передаче сигналов между устройствами и спутниками.
В отличие от лазера, который излучает луч света, атомный интерферометр излучает луч сверххолодных атомов, а затем использует свет, а не зеркала, для управления этим лучом. Интерферометр измеряет разницу фаз — совпадают ли пики и минимумы волн друг с другом — между атомами на разных путях. Любое изменение энергии по двум путям, например, когда атом получает энергию от взаимодействия со светом, будет смещать атомы в фазе или в противофазе. Учёные могут использовать это для измерения скорости ускорения атомов.
Обычно шестиатомные интерферометры, необходимые для создания квантового компаса, занимают небольшой дом. Но учёные уменьшили часть системы, воспользовавшись фотонными интегральными схемами (существующей миниатюрной лазерной технологией) для создания крошечных модуляторов, которые могут настраивать частоту луча для различных функций.
Однако у модуляторов есть свои проблемы. Они часто добавляют «отголоски» света, называемые боковыми полосами, которые необходимо подавить, чтобы инструмент работал правильно. Тщательно настроив радиочастоты, управляющие модуляторами, команда снизила интенсивность нежелательных боковых полос в 100 тысяч раз.
«Мы значительно улучшили производительность по сравнению с существующими технологиями», — говорится в заявлении Кодигалы.
Несмотря на прогресс, крошечные квантовые компасы ещё не готовы к продаже. Учёные всё ещё работают над миниатюризацией остальных компонентов и объединением их всех в один чип. Но команда уже добилась успехов в уменьшении других частей системы и защите хрупкого аппарата от вибраций, ударов и радиации.
В конечном итоге квантовые компасы могут помочь людям ориентироваться в районах, где GPS недоступен, или в зонах конфликтов, когда сигналы GPS заблокированы. Технологии, разрабатываемые для поддержки этих компасов, также могут найти применение в других областях, таких как лидар и квантовые вычисления.
«Мне очень хочется увидеть, как эти технологии находят реальное применение», — сказал в своём заявлении соавтор исследования Питер Швиндт (Peter Schwindt), учёный в области квантового зондирования из лаборатории Сандия.
