Naukowcy próbują stworzyć czujnik ruchu tak precyzyjny, że mógłby zminimalizować zależność od globalnych satelitów pozycjonujących. Do niedawna urządzenie tego kalibru – tysiąc razy bardziej czułe niż dzisiejsze urządzenia nawigacyjne – wypełniłby poruszającą się ciężarówkę. Jednak postępy w tej dziedzinie radykalnie zmniejszają rozmiar i koszt tej technologii.

Naukowcy z Sandia National Laboratories zastosowali krzemowe mikrochipy fotoniczne do interferometrii atomowej, a więc sięgnęli po rozwiązania z pogranicza techniki kwantowej. Celem prac było opracowanie ultraprecyzyjnego sposobu pomiaru przyspieszenia. Jest to najnowszy kamień milowy w kierunku opracowania rodzaju kompasu kwantowego do nawigacji, gdy sygnały GPS są niedostępne.

Zazwyczaj interferometr atomowy to system czujników, który wypełnia małe pomieszczenie. Kompletny kompas kwantowy – dokładniej nazywany kwantową inercyjną jednostką pomiarową – wymagałby sześciu interferometrów atomowych.

Naukowiec z Sandia National Laboratories, Jongmin Lee (po lewej), przygotowuje komórkę zimnych atomów rubidu do eksperymentu interferometrii atomowej, podczas gdy naukowcy Ashok Kodigala (po prawej) i Michael Gehl inicjują elementy sterujące dla upakowanego układu modulatora jednopasmowego. Dzięki uprzejmości Sandia National Laboratories/Craig Fritz.

Naukowiec z Sandia, Jongmin Lee, wraz ze swoim zespołem szuka sposobów na zmniejszenie rozmiaru, wagi i zapotrzebowania na energię. Zastąpili już dużą, energochłonną pompę próżniową komorą próżniową wielkości awokado i skonsolidowali kilka komponentów zwykle ostrożnie rozmieszczonych na stole optycznym w jednym, sztywnym urządzeniu.

Nowy modulator jest centralnym elementem systemu laserowego opartego na mikrochipie. Wystarczająco wytrzymały, aby poradzić sobie z silnymi wibracjami, zastąpiłby konwencjonalny system laserowy zwykle wielkości lodówki.

Lasery wykonują kilka zadań w interferometrze atomowym, a zespół Sandia używa czterech modulatorów do zmiany częstotliwości pojedynczego lasera w celu wykonywania różnych funkcji. Jednak modulatory często tworzą niepożądane echa zwane pasmami bocznymi, które należy złagodzić.

Opracowany przez Sandię modulator z tłumioną nośną i pojedynczą wstęgą boczną redukuje te wstęgi boczne o bezprecedensowe 47,8 dB. Jest to więc prawie 100000-krotny spadek niepożądanych składników.

– Drastycznie poprawiliśmy wydajność w porównaniu do tego, co jest na rynku – powiedział Ashok Kodigala, naukowiec z Sandia.

Oprócz rozmiaru, główną przeszkodą we wdrażaniu urządzeń do nawigacji kwantowej był koszt. Każdy interferometr atomowy wymaga systemu laserowego, a systemy laserowe wymagają modulatorów. Jak powiedział Lee, tylko jeden pełnowymiarowy, dostępny na rynku modulator jednopasmowy kosztuje ponad 10000 USD. Miniaturyzacja nieporęcznych, drogich komponentów w krzemowych chipach fotonicznych pomaga obniżyć te koszty.

– Możemy wyprodukować setki modulatorów na pojedynczym 8-calowym waflu, a nawet więcej na 12-calowym waflu – powiedział Kodigala.

A ponieważ można je wytwarzać przy użyciu tego samego procesu, co praktycznie wszystkie chipy komputerowe – „ten wyrafinowany czterokanałowy komponent, w tym dodatkowe niestandardowe funkcje, może być produkowany masowo po znacznie niższych kosztach w porównaniu z dzisiejszymi komercyjnymi alternatywami, umożliwiając produkcję kwantowych inercyjnych jednostek pomiarowych po obniżonych kosztach – powiedział Lee.

W miarę zbliżania się do wdrożenia technologii w terenie, zespół bada inne zastosowania poza nawigacją. Naukowcy badają, czy może ona pomóc w zlokalizowaniu podziemnych jaskiń i zasobów poprzez wykrywanie niewielkich zmian w sile grawitacji Ziemi. Widzą również potencjał dla wynalezionych przez siebie komponentów optycznych, w tym modulatora, w lidarach, obliczeniach kwantowych i komunikacji optycznej.

Badania zostały opublikowane w Science Advances (http://www.doi.org/10.1126/sciadv.ade4454).

Źródło: Photonics spectra