Современные датчики движения, используемые в навигации, имеют размеры примерно с апельсин и помогают ориентировать корабли, самолеты и автомобили в сочетании с сигналами GPS. Это означает, что для их работы всегда требуется спутниковая связь. Однако новый тип «квантового компаса» делает возможной точную навигацию без спутников.
Квантовая навигация
Идея использования квантовой технологии для навигации не нова. Эта технология основана на датчиках, называемых атомными интерферометрами, которые могут отслеживать положение и движение без использования спутников GPS. Но проблема заключается в том, что для достижения необходимой точности навигации квантовый компас должен вместить шесть больших атомных интерферометров. Эти устройства, в свою очередь, могут занять целую комнату.
Однако ситуация меняется. Команда исследователей из Сандийских национальных лабораторий (SNL) разработала ультракомпактные оптические чипы, которые позволяют разместить квантовые навигационные датчики в корпусе достаточно маленьком, чтобы поместиться практически где угодно. Проще говоря, речь идет о замене громоздких лазерных систем, обычно необходимых для атомных интерферометров, на крошечные интегрированные фотонные схемы.
Почему это важно?
Ученые утверждают, что снижение зависимости от GPS важно, поскольку спутниковые сигналы могут быть нарушены или подделаны. Это может создать серьезные проблемы для военных операций или автоматизированных транспортных систем.
«Используя принципы квантовой механики, эти передовые датчики обеспечивают беспрецедентную точность измерения ускорения и угловой скорости, что позволяет осуществлять точную навигацию даже в районах, где нет GPS», - говорит ученый SNL Джонгмин Ли.
Одним из ключевых компонентов, разработанных для достижения всего этого, является модулятор, который может точно контролировать и комбинировать несколько лазерных частот из одного источника, устраняя необходимость в сложении отдельных лазеров.
Помимо меньших размеров, чипы также более устойчивы к вибрациям и ударам. Эта прочность может позволить развертывание квантовых датчиков во всех видах сложных условий, которые разрушили бы сегодняшние модели.
Есть также фактор стоимости. Традиционные квантовые навигационные системы не только слишком большие, но и очень дорогие: один лазерный модулятор может стоить более 10 тыс. долларов. Однако, используя массовое полупроводниковое производство своих чипов, команда SNL надеется значительно снизить стоимость для повышения доступности.
«Мы можем изготовить сотни модуляторов на одной 8-дюймовой пластине и даже больше на 12-дюймовой пластине», - говорит ученый SNL Ашок Кодигала.
Впрочем, новая технология может использоваться не только в квантовой навигации. Команда исследует возможность использования квантовых датчиков для обнаружения тонких гравитационных изменений для картирования подземных ресурсов и структур. Компактные оптические чипы имеют потенциал в таких областях, как лидары (лазерные радары), квантовые вычисления и оптические коммуникации.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
