Исследователи работают над созданием компактных и энергоэффективных датчиков, не теряющих при этом точности и помимо гражданского применения, квантовые датчики имеют большой потенциал в оборонной сфере. Разрабатываемые ими инструменты, такие как атомные акселерометры, обещают высокую точность измерения и станут незаменимы в ситуациях, когда спутниковая связь недоступна.

Замена GPS с высокой точностью

Ученые из Университета Южной Калифорнии из новой Лаборатории квантово-ограниченной информации (ISI) работают над созданием миниатюрных квантовых датчиков, которые позволят ориентироваться на местности без сигнала спутниковой системы навигации (GPS). Об этом в начале июля 2024 г. сообщает портал Phys.

Фундаментальная физика, не говоря уже о квантовой физике, может показаться многим сложной, но на самом деле ее можно применять для решения повседневных задач. Представьте себе навигацию в незнакомом месте. Большинство людей предложили бы использовать GPS, но что, если вы застряли в подземном туннеле, куда не проникают радиосигналы со спутников? Вот тут-то и пригодятся инструменты квантового зондирования.

Исследователи Джонатан Хабиф (Jonathan Habif) и Джастин Браун (Justin Brown) из Института информационных наук им. Витерби в Университете Южной Калифорнии работают над тем, чтобы сделать сенсорные приборы, такие как атомные акселерометры, меньше и точнее, чтобы их можно было использовать для навигации при выходе из строя GPS.

Атомы отлично справляются с точным измерением, потому что они все одинаковы. Атомные измерения, выполненные в одной лаборатории, будут неотличимы от измерений, выполненных в другой лаборатории, поскольку атомы ведут себя совершенно одинаково. Одним из примеров применения этой физической концепции является создание высокоточной навигационной системы с использованием этих атомов.

Со слов ученых, поскольку атомы имеют массу, их можно использовать для измерения ускорений, помогая нам создавать датчики на основе атомов, такие как атомные акселерометры. Акселерометры позволяют пользователям узнать, насколько быстро и далеко они движутся в заданном направлении. Их можно объединить с гироскопами, которые сообщают пользователю, изменил ли он направление и насколько он повернул, чтобы провести полное измерение. Эти навигационные приборы полезны, когда у людей нет доступа к GPS.

Устройства квантового зондирования не только работают в областях, где нет доступа к GPS, но и могут стать частью захватывающего нового направления: приложений национальной безопасности. Современные конфликты становятся все более электронными и менее кинематическими, поскольку страны соревнуются за информационное превосходство. Радиосигнал со спутников GPS легко нарушить и заглушить, поскольку он находится далеко. Таким образом, в любом современном конфликте обе стороны будут пытаться лишить друг друга доступа к этим радиосигналам. Более традиционные навигационные приборы, такие как инерциальные системы, не подвержены помехам, поскольку они работают, суммируя ускорения и вращения для измерения изменения нашего положения. Поэтому они могут заменить GPS во время конфликта. Однако все допущенные ошибки также суммируются, поэтому ученые заинтересованы в использовании атомного измерения, чтобы гарантировать его большую точность.

Министерство обороны США ищет возможности усовершенствования своих инерциальных систем, чтобы преодолеть эти трудности. Квантовый подход, основанный на атомах, который разрабатывают ученые из ISI и другие группы, нацелен на обеспечение измерения ускорения без движущихся частей. Например, если подводные лодки хотят быть скрытными и тихими в оборонительных сценариях, отслеживание того, что они делают и как они перемещаются с помощью инерциальных систем, по сути, является единственным выходом. Ученые разрабатывают идеи по улучшению этих систем для Министерства обороны США, чтобы их можно было уменьшить и сделать более экономичными.

Очень легко остановить работу GPS, поэтому инерционные датчики всегда будут полезны. Но для разработчиков по-прежнему жизненно важно решить проблему размера, потому что многие из этих датчиков все еще оказываются размером примерно со стиральную машину. Исследователи работают над созданием компактных и энергоэффективных датчиков, не теряющих при этом точности. Достижение этого тонкого баланса между простотой и точностью является главной целью исследователей, и они надеются, что когда-нибудь их усилия воплотятся в реальных прототипах.

Атомные акселерометры

Атомные акселерометры являются одним из примеров таких инерциальных систем. Эти системы присутствуют в датчиках на самолетах и кораблях, направляя их движение через воздушное пространство и воду. Акселерометры и измерительные комплексы контроля колебательных ускорений предназначены для измерения малых линейных ускорений в диапазоне частот собственных колебаний строительных конструкций. Применяется в системах контроля подвижек инженерных сооружений, геотехнических системах инструментального контроля. Однако существующие механические датчики могут легко изнашиваться из-за трения, что приводит к их ежегодной замене и большим расходам.

Квантовый акселерометр использует атомную интерферометрию для измерения ускорений вдоль горизонтальной оси. Квантовые акселерометры способны достичь сочетания чувствительности и стабильности за счет использования квантовой интерференции. Поэтому они станут важнейшими компонентами квантового инерциального навигационного блока, который обеспечит бесспутниковую навигацию с непревзойденной долговременной точностью.

Основным преимуществом атомного акселерометра по сравнению с классическим является пренебрежимо малый дрейф смещения. Это позволяет датчикам проводить стабильные длительные измерения, что открывает возможности его применения в навигации. Этот незначительный дрейф обусловлен тем, что измерения можно отследить по естественным константам, а сама система внутренне стабильна благодаря простоте конструкции.

Источник: CNews