Ученые успешно миниатюризировали лазерную систему, которая обычно размером с холодильник, для выполнения техники зондирования, называемой атомной интерферометрией. Теперь эта система помещается на кремниевый микрочип, сообщила команда 10 июля в журнале Science Advances.
«Я думаю, что это очень интересно», — сказал ведущий автор исследования Ашок Кодигала, ученый по кремниевой фотонике из Сандийской национальной лаборатории в Альбукерке. «Мы добиваемся 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 квантовых компасов измерять и отслеживать собственное положение без использования GPS, которая основана на постоянной передаче сигналов между устройствами и спутниками.
В отличие от лазера, который испускает луч света, атомный интерферометр испускает пучок сверххолодных атомов, а затем использует свет, а не зеркала для манипулирования этим пучком. Интерферометр измеряет разницу в фазе — совпадают ли пики и впадины волн — между атомами на разных путях. Любое изменение энергии на этих двух путях, например получение атомом энергии при взаимодействии со светом, приводит к сдвигу атомов в фазу и обратно. Ученые могут использовать это для измерения скорости ускорения атомов.
Обычно шесть атомных интерферометров, необходимых для создания квантового компаса, заполнили бы небольшой дом. Но ученые сделали часть системы меньше, воспользовавшись преимуществами фотонных интегральных схем — существующей технологии миниатюрных лазеров — для создания крошечных модуляторов, которые могут настраивать частоту луча для различных функций.
Модуляторы, однако, имеют свои сложности. Они часто добавляют «эхо» света, называемое боковыми полосами, которые необходимо подавлять, чтобы прибор работал правильно. Тщательно настроив радиочастоты, управляющие модуляторами, команда уменьшила интенсивность нежелательных боковых полос в 100 000 раз.
«Мы радикально улучшили производительность по сравнению с тем, что уже существует», — сказал Кодигала в своем заявлении.
Несмотря на достигнутый прогресс, крошечные квантовые компасы еще не готовы к появлению на полках магазинов. Ученые все еще работают над миниатюризацией других компонентов и интеграцией их в единый чип. Но команда уже добилась успехов в уменьшении других частей системы и укреплении хрупкого аппарата против вибраций, ударов и радиации.
В конечном итоге квантовые компасы могут помочь людям ориентироваться в местах, где GPS недоступна, или в зонах конфликтов, где сигналы GPS заблокированы. А технология, разрабатываемая для поддержки компасов, может найти применение и в других отраслях, таких как лидар и квантовые вычисления.
«Я страстно желаю, чтобы эти технологии нашли реальное применение», — сказал в своем заявлении соавтор исследования Питер Швиндт, ученый в области квантового зондирования в Сандии.
Перспективы, открываемые миниатюрными квантовыми компасами, действительно впечатляют. Представьте себе мир, в котором навигационные приборы, не зависящие от спутниковых систем, могут помочь исследователям, вооруженным силам и повседневным пользователям ориентироваться в разнообразных условиях. От глубин океана до далеких полярных регионов, от подземных шахт до густых лесов — портативные квантовые компасы могут изменить представление о геолокации.
Кроме того, возможность автономного определения местоположения в условиях угнетения или отсутствия GPS-сигнала открывает ряд стратегических преимуществ. Военные смогут проводить операции в зонах с предполагаемым электронной блокадой, а исследователи смогут работать в удалённых регионах без опасений потерять свои координаты. Эти приборы станут незаменимыми при проведении спасательных операций в труднодоступных местах или после стихийных бедствий, когда инфраструктура может быть повреждена.
Однако путь к повсеместному использованию квантовых компасов тернист и требует дополнительных усилий. Например, интеграция всех необходимых элементов на один чип по-прежнему представляет собой значительный вызов. Каждый компонент, начиная от источника атомов и заканчивая системами для детектирования, должен быть тщательно протестирован и адаптирован для работы в миниатюризированной форме. Этот процесс требует как значительных технических ресурсов, так и междисциплинарного сотрудничества между физиками, инженерами и специалистами в области материаловедения.
Несмотря на все сложности, будущее квантовых технологий выглядит светлым. Последующие достижения в миниатюризации и надежности квантовых систем приведут к их более широкой интеграции не только в навигационные системы, но и в другие области науки и техники. К примеру, совершенствование квантовых компьютеров и сенсоров может трансформировать такие сектора, как медицина, телекоммуникации и охрана окружающей среды. Развитие этих инструментов может стать катализатором для новых открытий, улучшая качество жизни и расширяя границы человеческих возможностей.
