Высокотехнологичные квантовые датчики могут направлять транспортные средства без спутников
Когда речь заходит о квантовых инерциальных датчиках, вряд ли будут произнесены такие слова, как “жесткий” или “прочный”. Эти замечательные научные приборы могут измерять движение в тысячу раз точнее, чем устройства, которые помогают управлять современными ракетами, беспилотными летательными аппаратами и самолетами. Тем не менее, его тонкий набор компонентов размером с стол, включающий сложную лазерную и вакуумную систему, по сути, позволил сохранить технологию заземленной и ограниченной контролируемыми условиями лаборатории.
Чонмин Ли хочет это изменить.
Физик-атомщик является частью команды Sandia, которая рассматривает квантовые инерциальные датчики в качестве революционных бортовых навигационных средств. Команда работает над перепроектированием датчика в компактное, надежное устройство, в котором технология могла бы безопасно направлять транспортные средства, когда сигналы GPS глушатся или теряются.
В качестве важной вехи на пути к реализации своего видения команда успешно сконструировала интерферометр с холодным атомом. Это основной компонент квантовых датчиков, и их версия спроектирована так, чтобы быть намного меньше и жестче, чем обычные лабораторные установки. Команда описывает свой прототип в статье, которая была недавно опубликована в академическом журнале Nature Communications, показывая, как интегрировать несколько обычно разделенных компонентов в единую монолитную структуру. При этом они сократили ключевые компоненты системы, которая существовала на большом оптическом столе, до прочной упаковки размером примерно с обувную коробку.
“В лаборатории была продемонстрирована очень высокая чувствительность, но практические вопросы заключаются в том, что для реального применения людям необходимо уменьшить размер, вес и мощность, а затем преодолеть различные проблемы в динамичной среде”, - сказал Чонмин.
В документе также описывается дорожная карта для дальнейшей миниатюризации системы с использованием разрабатываемых технологий.
Прототип, финансируемый программой лабораторных исследований и разработок Sandia, демонстрирует значительные успехи в продвижении передовых навигационных технологий за пределы лаборатории в транспортные средства на земле, под землей, в воздухе и даже в космосе.
Сверхчувствительные измерения повышают навигационную мощность
Когда реактивный самолет совершает "бочкообразный" полет по небу, современные бортовые навигационные технологии могут измерять наклоны, повороты и ускорения самолета, чтобы на какое-то время рассчитать его местоположение без GPS. По словам Чонминя, небольшие ошибки в измерениях постепенно сбивают транспортное средство с курса, если оно периодически не синхронизируется со спутниками.
Квантовое зондирование будет работать таким же образом, но гораздо более высокая точность будет означать, что бортовой навигации не нужно будет так часто перепроверять свои вычисления, что уменьшит зависимость от спутниковых систем.
Роджер Динг, постдокторский исследователь, работавший над проектом, сказал: “В принципе, нет никаких производственных изменений и калибровок” по сравнению с обычными датчиками, которые могут меняться со временем и нуждаются в повторной калибровке.
Аарон Изон, ведущий инженер проекта, сказал, что для подготовки атомного интерферометра к динамической среде он и его команда использовали материалы, проверенные в экстремальных условиях. Кроме того, детали, которые обычно являются отдельными и отдельно стоящими, были объединены вместе и закреплены на месте или были изготовлены с помощью механизмов ручной блокировки.
“Монолитная структура, имеющая как можно меньше болтовых интерфейсов, была ключом к созданию более прочной структуры атомного интерферометра”, - сказал Аарон.
Кроме того, команда использовала стандартные для отрасли расчеты, называемые анализом конечных элементов, чтобы предсказать, что любая деформация системы в обычных условиях будет находиться в пределах требуемых допусков. Компания Sandia не проводила механических стресс-тестов или полевых испытаний новой конструкции, поэтому необходимы дальнейшие исследования для измерения прочности устройства.
“Общий небольшой и компактный дизайн, естественно, ведет к более жесткой и надежной конструкции”, - сказал Аарон.
Фотоника освещает путь к более миниатюрной системе
По словам Роджера, в большинстве современных экспериментов по атомной интерферометрии используется система лазеров, установленных на большом оптическом столе по соображениям стабильности. Устройство Sandia сравнительно компактно, но команда уже разработала дальнейшие усовершенствования конструкции, чтобы сделать квантовые датчики намного меньше, используя интегрированные фотонные технологии.
“Существуют десятки или сотни элементов, которые можно разместить на чипе размером меньше пенни”, - сказал Питер Швиндт, главный исследователь проекта и эксперт в области квантового зондирования.
Фотонные устройства, такие как лазер или оптическое волокно, используют свет для выполнения полезной работы, а интегрированные устройства включают в себя множество различных элементов. Фотоника широко используется в телекоммуникациях, и текущие исследования делают ее более компактной и универсальной.
Питер считает, что при дальнейших усовершенствованиях пространство, необходимое интерферометру, может составить всего несколько литров. Его мечта - сделать его размером с банку из-под газировки.
В своей статье команда Sandia описывает будущий дизайн, в котором большая часть их лазерной установки заменена одной фотонной интегральной схемой, около восьми миллиметров с каждой стороны. Интеграция оптических компонентов в схему не только уменьшила бы размер атомного интерферометра, но и сделала бы его более прочным за счет фиксации компонентов на месте.
Хотя команда пока не может этого сделать, многие из необходимых им фотонных технологий в настоящее время разрабатываются в Sandia.
”Это жизнеспособный путь к созданию высоко миниатюризированных систем", - сказал Роджер.
Между тем, Чонмин сказал, что интегрированные фотонные схемы, вероятно, снизят затраты и улучшат масштабируемость для будущего производства.
“Sandia продемонстрировала амбициозное видение будущего квантового зондирования в навигации”, - сказал Чонмин.
#технологиибудущего #технологии #ГПС #GPS #навигация #физика #устройства