Инженеры стали на шаг ближе к созданию квантового компаса

Опубликовано: 28 Авг 2024 | Источник: Science Advances

Физика

Исследователи совершили прорыв в создании портативного квантового компаса, который позволит людям ориентироваться без GPS. Они успешно уменьшили размеры лазерной системы для атомной интерферометрии, ранее занимавшей пространство размером с холодильник. Теперь устройство умещается на кремниевом чипе. Статья об этом открытии была опубликована 10 июля в журнале Science Advances.

Рис. 1. Концептуальный рендеринг полностью интегрированного кристалла многоканального кремниевого фотонного однополосного модулятора (SSB), генерирующего тональные сигналы, подаваемые в эксперимент с интерферометром на холодных атомах с питанием от единственного встроенного лазерного источника. Каждый кремниевый фотонный модулятор основан на двухпараллельной конфигурации модулятора Маха-Цендера (dP-MZM).

Концептуальный рендеринг полностью интегрированного кристалла многоканального кремниевого фотонного однополосного модулятора (SSB), генерирующего тональные сигналы, подаваемые в эксперимент с интерферометром на холодных атомах с питанием от единственного встроенного лазерного источника. Каждый кремниевый фотонный модулятор основан на двухпараллельной конфигурации модулятора Маха-Цендера (dP-MZM).

Атомная интерферометрия основана на уникальном свойстве электронов вести себя как волны. Благодаря этому свойству можно точно измерять параметры, такие как ускорение, вращение и угловая скорость. Эти данные будут использоваться в квантовом компасе для определения местоположения без необходимости постоянной передачи сигналов со спутников.

Атомный интерферометр работает благодаря излучению пучка сверххолодных атомов и управлению этим потоком с помощью света. Он определяет разность фаз между атомами, движущимися по разным траекториям, и проверяет соответствие пиков и впадин волн друг другу. Изменения энергии на двух путях вызывают сдвиг атомов по фазе, обеспечивая высокую точность измерений.

Разработанный компанией Sandia кремниевый фотонный модулятор для SC-SSB модуляции. (A) Схема работы dP-MZM, которая имеет три области (R1, R2 и R3) с параллельными областями R2 и R3, каждая из которых состоит из MZM. (B) Изображение оптически и электрически упакованного одноканального кремниевого фотонного SSB-модулятора, на котором показана v-образная канавка для оптических линий и соединения проводов постоянного и радиочастотного тока с печатной платой. (C) вид сверху на изготовленный кремниевый фотонный модулятор dP-MZM с проводами постоянного тока, соединенными с промежуточным чипом, с каждым вложенным MZM в двухтактной конфигурации, образующей dP-MZM.

Для создания полноценного квантового компаса необходимы шесть атомных интерферометров, которые в обычном варианте занимают пространство, равное площади средней однокомнатной квартиры. Однако благодаря использованию фотонных интегральных схем инженерам удалось значительно уменьшить размер системы и создать миниатюрные модуляторы, способные настраивать частоту луча для разных функций.

Однако у модуляторов есть свои минусы. Они могут вызывать помехи, снижающие точность измерений. Но, благодаря точной настройке радиочастот в новом устройстве, нежелательные побочные сигналы уменьшились в 100 000 раз.

Несмотря на такие успехи, компактные квантовые компасы ещё не скоро появятся на рынке. Специалисты продолжают работать над уменьшением размеров остальных компонентов и объединением их в один чип.

Квантовые компасы в будущем помогут людям ориентироваться в местах, где GPS не работает, или в зонах боевых действий, где сигналы GPS блокируются.