Newsreleases Sandia
Mejnik na področju kvantnega zaznavanja se približuje izjemno natančni navigaciji brez GPS.
ALBUQUERQUE, N.M. – Če odprete pametni telefon, napravo za spremljanje telesne vadbe ali slušalke za navidezno resničnost, boste v njih našli majhen senzor gibanja, ki spremlja njihov položaj in gibanje. Večje in dražje različice iste tehnologije, velike kot grenivka in tisočkrat natančnejše, pomagajo krmariti ladje, letala in druga vozila s pomočjo GPS.
Znanstveniki zdaj poskušajo izdelati tako natančen senzor gibanja, ki bi lahko zmanjšal odvisnost države od globalnih satelitov za določanje položaja. Do nedavnega bi tak senzor – tisočkrat občutljivejši od današnjih navigacijskih naprav – zapolnil tovornjak. Vendar se zaradi napredka velikost in stroški te tehnologije dramatično zmanjšujejo.
Raziskovalci nacionalnih laboratorijev Sandia so prvič uporabili komponente silicijevega fotonskega mikročipa za izvajanje tehnike kvantnega zaznavanja, imenovane atomska interferometrija, ki je zelo natančen način merjenja pospeška. To je najnovejši mejnik pri razvoju neke vrste kvantnega kompasa za navigacijo, ko GPS signali niso na voljo.
Ekipa je v reviji Science Advances [1] na naslovnici objavila svoje ugotovitve in predstavila nov visoko zmogljiv silicijev fotonski modulator – napravo, ki nadzoruje svetlobo na mikročipu.
Raziskavo je podprl Sandijin program Laboratorijske usmerjene raziskave in razvoj [2]. Delno je potekala v Centru za fotoniko za nacionalno varnost [3], ki je kolaborativni raziskovalni center za razvoj integriranih fotoničnih rešitev za kompleksne probleme na področju nacionalne varnosti.
Navigacija brez GPS je stvar nacionalne varnosti
„Natančna navigacija postane izziv v resničnem svetu, ko GPS signali niso na voljo,“ je povedal Sandijin znanstvenik Jongmin Lee.
Na vojnem območju ti izzivi ogrožajo nacionalno varnost, saj lahko enote za elektronsko bojevanje motijo ali izkrivljajo satelitske signale in s tem ovirajo premike in delovanje vojakov.
„Z uporabo načel kvantne mehanike ti napredni senzorji zagotavljajo neprimerljivo natančnost pri merjenju pospeška in kotne hitrosti, kar omogoča natančno navigacijo tudi na območjih, kjer GPS ne deluje,“ je dejal Lee.
Modulator je osrednji del laserskega sistema na ravni čipa
Atomski interferometer je običajno senzorski sistem, ki zapolni majhen prostor. Za celoten kvantni kompas – natančneje imenovan kvantna inercialna merilna enota – bi potrebovali šest atomskih interferometrov.
Toda Lee in njegova ekipa iščejo načine, kako zmanjšati njegovo velikost, težo in potrebo po energiji. Veliko vakuumsko črpalko, ki zahteva veliko energije, so že nadomestili z vakuumsko komoro v velikosti avokada [4] in združili več sestavnih delov, ki so običajno nežno razporejeni po optični mizi, v eno samo togo napravo [5].
Novi modulator je osrednji del laserskega sistema na mikročipu. Je dovolj trpežen, da prenese močne vibracije, in bi nadomestil običajni laserski sistem, ki je običajno velik kot hladilnik.
Laserji v atomskem interferometru opravljajo več nalog, ekipa Sandie pa uporablja štiri modulatorje, s katerimi spreminja frekvenco enega samega laserja za opravljanje različnih funkcij.
Vendar modulatorji pogosto ustvarjajo neželene odmeve, imenovane stranski pasovi, ki jih je treba zadušiti.
Sandijin SSB modulator z dušenim nosilcem zmanjša te stranske pasove za neverjetnih 47,8 decibelov – merilo, ki se pogosto uporablja za opis jakosti zvoka, velja pa tudi za jakost svetlobe, kar pomeni skoraj 100.000-kratno zmanjšanje.
„Dramatično smo izboljšali zmogljivost v primerjavi z obstoječimi,“ je povedal Sandijin znanstvenik Ashok Kodigala.
Silicijeva naprava, ki jo je mogoče množično proizvajati in je cenovno dostopnejša
Poleg velikosti je bila glavna ovira pri uvajanju kvantnih navigacijskih naprav tudi cena. Vsak atomski interferometer potrebuje laserski sistem, laserski sistemi pa potrebujejo modulatorje.
„Samo en SSB modulator polne velikosti, ki je na voljo na trgu, stane več kot 10.000 dolarjev,“ je dejal Lee.
Miniaturizacija velikih in dragih komponent v silicijeve fotonske čipe pomaga zmanjšati te stroške.
„Na eni 8-palčni rezini lahko naredimo več sto modulatorjev, na 12-palčni rezini pa še več,“ je dejal Kodigala.
Ker jih je mogoče izdelati z enakim postopkom kot praktično vse računalniške čipe, „je mogoče to prefinjeno štirikanalno komponento, vključno z dodatnimi funkcijami po meri, množično proizvajati po veliko nižji ceni v primerjavi z današnjimi komercialnimi alternativami, kar omogoča proizvodnjo kvantnih inercialnih merilnih enot po nižjih cenah,“ je dejal Lee.
Ker je tehnologija vse bližje uporabi na terenu, ekipa raziskuje tudi druge možnosti uporabe, ne le navigacijo. Raziskovalci preučujejo, ali bi lahko pomagala pri iskanju podzemnih votlin in virov z zaznavanjem majhnih sprememb, ki jih ti povzročajo v Zemljini gravitacijski sili. Optične komponente, ki so jih izumili, vključno z modulatorjem, bi lahko uporabili tudi pri LIDAR-ju, kvantnem računalništvu in optičnih komunikacijah.
„Mislim, da je to zelo razburljivo,“ je dejal Kodigala. „Na področju miniaturizacije za veliko različnih aplikacij dosegamo velik napredek.“
Multidisciplinarna ekipa uresničuje koncept kvantnega kompasa
Lee in Kodigala predstavljata dve polovici multidisciplinarne ekipe. Eno polovico, vključno z Leejem, sestavljajo strokovnjaki s področja kvantne mehanike in atomske fizike. Druga polovica, kot je Kodigala, so strokovnjaki za silicijevo fotoniko – predstavljajte si mikročip, v katerem namesto elektrike po vezjih tečejo žarki svetlobe.
Te ekipe sodelujejo v Sandijinem kompleksu Microsystems Engineering, Science and Applications [6], kjer raziskovalci razvijajo, izdelujejo in preizkušajo čipe za aplikacije nacionalne varnosti.
„Imamo kolege, s katerimi se lahko o tem pogovorimo na hodniku in ugotovimo, kako rešiti ključne probleme te tehnologije, da bi jo lahko uporabili na terenu,“ je dejal Peter Schwindt, znanstvenik za kvantno zaznavanje pri Sandii. Velik načrt ekipe – atomske interferometre spremeniti v kompaktni kvantni kompas – premošča vrzel med temeljnimi raziskavami v akademskih ustanovah in komercialnim razvojem v tehnoloških podjetjih. Atomski interferometer je preizkušena tehnologija, ki bi lahko bila odlično orodje za navigacijo brez GPS. Sandijina trenutna prizadevanja so usmerjena v njeno večjo stabilnost, uporabnost in tržno uspešnost.
Nacionalni center za varnostno fotoniko sodeluje z industrijo, malimi podjetji, akademsko sfero in vladnimi agencijami pri razvoju novih tehnologij in uvajanju novih izdelkov. Sandia ima več sto izdanih patentov in še več deset patentov v postopku, ki podpirajo njeno poslanstvo.
„Strastno se zavzemam za to, da se te tehnologije uporabljajo v resničnih aplikacijah,“ je dejal Schwindt.
Enako strast ima tudi Michael Gehl, Sandijin znanstvenik, ki se ukvarja s silicijevo fotoniko. „Lepo je videti, da se naši fotonski čipi uporabljajo za resnične aplikacije,“ je dejal.
O nacionalnih laboratorijih Sandia
Nacionalni laboratoriji Sandia so laboratorij za več misij, ki ga upravlja National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, hčerinsko podjetje v 100-odstotni lasti družbe Honeywell International Inc., za Nacionalno upravo za jedrsko varnost ameriškega ministrstva za energijo. Laboratoriji Sandia so odgovorni za raziskave in razvoj na področju jedrskega odvračanja, globalne varnosti, obrambe, energetskih tehnologij in gospodarske konkurenčnosti, glavne zmogljivosti pa imajo v Albuquerqueju v Novi Mehiki in Livermoru v Kaliforniji.
Viri:
1: https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.ade4454
2: https://www.sandia.gov/research/ldrd/
3: https://www.sandia.gov/mesa/nspc/
4: https://newsreleases.sandia.gov/quantum_navigation/
5: https://newsreleases.sandia.gov/inertial_navigation/
6: https://www.sandia.gov/mesa/
