هنگام صحبت در مورد حسگرهای اینرسی کوانتومی، کلماتی مانند “سخت” یا “زمخت” کمتر گفته می شود. این ابزارهای علمی قابل توجه حرکت را هزاران برابر دقیق تر از دستگاه هایی که به هدایت موشک ها، پهپادها و هواپیماهای امروزی کمک می کنند، اندازه گیری می کنند.
با این حال، مجموعه پیچیده‌ای از اجزای آن، از جمله سیستم‌های پیچیده لیزری و خلاء، اساساً این فناوری را ثابت نگه داشته و به تنظیمات کنترل‌شده در آزمایشگاه محدود کرده است. جونگمین لی می خواهد آن را تغییر دهد.
این فیزیکدان اتمی بخشی از تیم ساندیا است که حسگرهای اینرسی کوانتومی را به عنوان کمک ناوبری و ناوبری انقلابی در نظر می گیرد. این تیم در حال کار برای طراحی مجدد حسگر به یک دستگاه فشرده و ناهموار است که می تواند با خیال راحت وسایل نقلیه را در هنگام مسدود شدن یا گم شدن سیگنال های GPS راهنمایی کند.
در یک نقطه عطف بزرگ در تحقق چشم انداز خود، تیم با موفقیت یک تداخل سنج اتم سرد ساخت. این یکی از اجزای اصلی یک حسگر کوانتومی است و نسخه آن به گونه ای طراحی شده است که کوچکتر و قوی تر از تنظیمات آزمایشگاهی معمولی باشد.
این تیم نمونه اولیه خود را توصیف می کند، که نشان می دهد چگونه اجزای متعدد و اغلب از هم گسسته می توانند در یک ساختار یکپارچه ادغام شوند. با انجام این کار، آنها اجزای کلیدی سیستم را که روی یک پایه نوری بزرگ قرار دارد، به یک بسته فشرده به اندازه یک جعبه کفش تبدیل کردند.
جونگمین گفت: “آزمایشگاه حساسیت بسیار بالایی را نشان داده است، اما مورد استفاده در دنیای واقعی جایی است که افراد باید اندازه، وزن و قدرت را کاهش دهند و سپس بر مشکلات در محیط های پویا غلبه کنند.”
این مقاله همچنین یک نقشه راه برای کوچک سازی بیشتر سیستم با استفاده از فناوری در حال توسعه را توصیف می کند.
این نمونه اولیه که توسط برنامه تحقیق و توسعه هدایت شده Sandia Labs تأمین می شود، گام مهمی در انتقال فناوری ناوبری پیشرفته از آزمایشگاه به وسایل نقلیه روی زمین، زیرزمین، در هوا و حتی در فضا است.
سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS) مجموعه ای از ماهواره های در حال گردش است که داده های مکان، ناوبری و زمان بندی را در اختیار کاربران نظامی و غیرنظامی در سراسر جهان قرار می دهد. ماهواره های GPS هر 12 ساعت یک بار به دور زمین می چرخند و سیگنال های ناوبری را به طور مداوم مخابره می کنند. با تجهیزات مناسب، کاربران می توانند حداقل چهار سیگنال ماهواره ای را برای محاسبه زمان، موقعیت و سرعت دریافت کنند. سیگنال ها به قدری دقیق هستند که زمان را می توان در یک میلیونیم ثانیه، سرعت را تا کسری از مایل در ساعت و موقعیت را تا 100 فوت محاسبه کرد.
اندازه گیری های فوق حساس ناوبری را بهبود می بخشد
همانطور که بشکه جت در سراسر آسمان می چرخد، فناوری ناوبری فعلی می تواند زمین، چرخش و شتاب هواپیما را اندازه گیری کند و به آن امکان می دهد موقعیت خود را بدون GPS برای مدتی محاسبه کند.
جونگمین گفت، مگر اینکه به طور منظم با ماهواره هماهنگ شود، اشتباهات کوچک اندازه گیری می تواند به تدریج وسیله نقلیه را از مسیر خارج کند.
سنجش کوانتومی به همین صورت عمل می‌کند، اما دقت بیشتر به این معناست که ناوبری داخل خودرو نیازی به بررسی متقاطع محاسبات ندارد و وابستگی به سیستم‌های ماهواره‌ای را کاهش می‌دهد.
راجر دینگ، محقق فوق دکتری درگیر در این پروژه، گفت: «در مقایسه با حسگرهای سنتی که در طول زمان تغییر می‌کنند و نیاز به کالیبراسیون مجدد دارند، اساساً هیچ گونه تغییر و کالیبراسیون تولیدی وجود ندارد.
برای تطبیق تداخل سنج اتمی با محیط های پویا، آرون آیسون، مهندس ارشد پروژه، گفت که او و تیمش از مواد اثبات شده در محیط های شدید استفاده کردند. علاوه بر این، اغلب اجزای مجزا و مجزا یکپارچه شده و در جای خود محکم می شوند یا با استفاده از مکانیزم قفل دستی ساخته می شوند.
آرون می‌گوید: «یک ساختار کلی با کمترین حد ممکن رابط‌های پیچ‌دار، کلید ایجاد ساختارهای تداخل سنج اتمی قوی‌تر است.
علاوه بر این، این تیم از یک محاسبه استاندارد صنعتی به نام تحلیل اجزای محدود برای پیش‌بینی اینکه هرگونه تغییر شکل سیستم در محدوده‌های قابل قبولی در محیط‌های معمولی است، استفاده کرد. Sandia هنوز تست استرس مکانیکی یا آزمایش میدانی طراحی جدید را انجام نداده است، بنابراین تحقیقات بیشتری برای اندازه گیری استحکام دستگاه مورد نیاز است.
آرون می گوید طراحی کوچک و جمع و جور به طور طبیعی منجر به ساخت قوی تر و مستحکم تر می شود.
فوتونیک راه را برای سیستم های کوچکتر هموار می کند
راجر گفت، به دلایل پایداری، بیشتر آزمایش‌های تداخل سنجی اتمی مدرن از سیستم‌های لیزری نصب شده بر روی میزهای نوری بزرگ استفاده می‌کنند. دستگاه Sandia نسبتا جمع و جور است، اما این تیم پیشرفت های بیشتری در طراحی داشته است و از فوتونیک یکپارچه برای کوچک کردن حسگرهای کوانتومی استفاده می کند.
پیتر شویند، محقق اصلی پروژه و کارشناس سنجش کوانتومی، می‌گوید: «ده‌ها تا صدها عنصر را می‌توان روی تراشه‌ای قرار داد که کمتر از یک سنت است.
دستگاه های فوتونیک مانند لیزر یا فیبرهای نوری از نور برای انجام کارهای مفید استفاده می کنند، در حالی که دستگاه های یکپارچه شامل عناصر مختلف زیادی هستند. فوتونیک به طور گسترده در ارتباطات از راه دور استفاده می شود و تحقیقات مداوم آنها را کوچکتر و همه کاره تر می کند.
با اصلاح بیشتر، پیتر فکر می کند فضای مورد نیاز برای تداخل سنج می تواند به اندازه چند لیتر باشد. رویای او این بود که یکی به اندازه یک قوطی نوشابه بسازد.
در مقاله خود، تیم Sandia آینده‌ای را ترسیم می‌کند که در آن بیشتر تنظیمات لیزری آنها با مدارهای مجتمع فوتونیک، حدود 8 میلی‌متر در هر طرف جایگزین میشود. ادغام اجزای نوری در مدارها نه تنها تداخل سنج‌های اتمی را کوچکتر می‌کند، بلکه با نگه داشتن قطعات در جای خود، آنها را قوی‌تر می‌کند.
در حالی که تیم هنوز نمی تواند این کار را انجام دهد، بسیاری از فناوری های فوتونیک مورد نیاز آنها در حال حاضر در Sandia در حال توسعه هستند.
راجر گفت: “برای سیستم های بسیار کوچک، این مسیر خوبی است.”
در همین حال، جونگمین گفت که مدارهای فوتونیک یکپارچه به طور بالقوه می توانند هزینه ها را کاهش دهند و مقیاس پذیری را در تولید آینده بهبود بخشند.
جونگمین گفت: ساندیا چشم اندازی بلندپروازانه برای آینده سنجش کوانتومی در ناوبری ارائه می دهد.
انتهای پیام/