Как известно, в зонах конфликтов противоборствующие силы могут глушить или подделывать сигналы GPS, что может привести к срыву военных операций. В этой связи ученые из расположенной в Нью-Мексико Национальной лаборатории Сандии (Sandia National Laboratories) - одной из шестнадцати национальных лабораторий Министерства энергетики США, добились значительного прогресса в области навигации без использования GPS. Совершив прорыв в области квантового зондирования, они разработали новое сенсорное устройство, которое в конечном итоге может помочь обеспечить чрезвычайно точную навигацию без использования Глобальной системы позиционирования (GPS).
Исследовательская группа этой лаборатории, как пишет журнал Science Advances, разработала свой “квантовый компас”, используя кремниевые фотонные компоненты для выполнения метода квантового зондирования, известного как “атомная интерферометрия”.
Атомная интерферометрия - это метод квантового зондирования, который измеряет ускорение и угловую скорость с исключительной точностью. “Используя принципы квантовой механики, эти усовершенствованные датчики обеспечивают непревзойденную точность измерения, обеспечивая навигацию даже в районах, недоступных для GPS”, - отметил ученый из компании Sandia Джонгмин Ли.
Современные атомные интерферометры могут быть размером с небольшую комнату, и для создания полноценного квантового компаса потребовалось бы шесть таких. Однако новые технологические достижения, в том числе в Sandia, резко сократили масштабы и стоимость новых систем.
Они представили новый высокопроизводительный кремниевый фотонный модулятор. Такие модуляторы - это устройства, используемые для управления свойствами света, в частности его частотой. Однако они часто создают нежелательные дополнительные частоты наряду с желаемой. Эти дополнительные частоты называются “боковыми полосами” и аналогичны эху в звуке. “Однополосный модулятор Sandia с подавленной несущей уменьшает эти боковые полосы на беспрецедентные 47,8 децибел - показатель, часто используемый для описания интенсивности звука, но также применимый к интенсивности света, - что приводит к снижению нежелательных дополнительных частот почти в 100 000 раз”, — говорится в пресс-релизе лаборатории Sandia.
Представители Sandia заявили, что новый чип-модулятор имеет размеры восемь на восемь миллиметров, и сотни таких чипов могут поместиться на обычной восьмидюймовой пластине. Новый модулятор, наряду с другими достижениями, такими как вакуумная камера меньшего размера и компактность устройства, способствуют уменьшению размеров, веса и энергопотребления этих датчиков. “Мы значительно улучшили производительность по сравнению с существующими технологиями”, - заявил ученый из Sandia Ашок Кодигала (Ashok Kodigala).
Стоимость долгое время была основным препятствием при внедрении устройств квантовой навигации. Это, в частности, обусловлено тем, что для атомных интерферометров необходимы лазерные системы, а модуляторы являются ключевым компонентом этих лазерных систем. “Только один полноразмерный однополосный модулятор, доступный в продаже, стоит более 10 000 долларов”, - подчеркнул Ли.
Инновационный подход Sandia заключается в миниатюризации компонентов на кремниевых фотонных чипах, что позволяет эффективно сократить расходы. “Мы можем изготовить сотни модуляторов на одной 8-дюймовой пластине и еще больше на 12-дюймовой пластине”, - прокомментировал Кодигала. Эти чипы могут выпускаться серийно с использованием тех же процессов, что и компьютерные чипы, что делает их значительно более доступными.
Ученые Sandia подчеркнули, что исследование может привести к созданию нового устройства для навигации в условиях отсутствия сигналов GPS, например, в зонах военных действий, где сигналы спутниковой навигации могут быть заглушены или подделаны системами радиоэлектронной борьбы. Однако предлагаемая система не просто обеспечит запасной план: исследователи из Sandia заявили, что квантовый компас будет примерно в 1000 раз чувствительнее существующих навигационных устройств.
Как сообщается, технология навигации без GPS потенциально может предложить решения и для других областей применения. С ее помощью можно находить подземные полости и природные ресурсы, совершенствовать лидарные системы, развивать квантовые вычисления и революционизировать оптическую связь. Команда Sandia активно изучает эти разнообразные области применения, продолжая добиваться успехов в миниатюризации. Их цель - превратить атомные интерферометры в компактный квантовый компас, сократив разрыв между фундаментальными исследованиями и коммерческими разработками.