Как атомы на оптоволокне помогут найти дорогу без GPS?
Всего 5 милливатт оптической мощности — именно столько понадобилось учёным из Sandia National Laboratories, чтобы удержать атомы цезия в световом поле на оптическом нановолокне диаметром 420 нанометров. Это примерно в две тысячи раз меньше энергии, чем потребляет обычная светодиодная лампа. Такой результат приближает создание сверхкомпактных квантовых датчиков, способных заменить GPS там, где спутниковые сигналы недоступны.
Когда сигнал GPS пропадает
Представьте самолёт, который теряет сигналы спутниковой навигации из-за мощных помех. Электромагнитный шум заглушает GPS, и пилотам приходится полагаться на бортовые акселерометры и гироскопы. Сначала это работает, но через время ошибки накапливаются: траектория уходит в сторону, и машина постепенно сбивается с курса. Чем дольше длится глушение, тем серьёзнее отклонение.
Для военных и гражданских перевозчиков это не абстрактный риск, а реальная угроза. Именно поэтому разработка автономных систем навигации, не зависящих от спутников, стала одним из приоритетов в квантовых технологиях. Атомные часы — уже известный пример такого подхода: они сохраняют точность значительно дольше, чем кварцевые модели, прежде чем начинают уходить.
Похожую роль может сыграть квантовый датчик инерции, который измеряет ускорение и вращение. В идеале он должен работать везде, где не ловит GPS, и при этом не требова чтобы его постоянно калибровали.
Как работают атомные интерферометры
Атомный интерферометр — один из самых точных инструментов для таких измерений. В классической схеме облако ультрахолодных атомов выпускается в вакуумной камере и свободно падает под действием гравитации. Лазерные импульсы освещают атомы, позволяя регистрировать их движение с колоссальной точностью — вплоть до квантовых эффектов.
Однако у свободного падения есть серьёзный минус. Сильные вибрации или резкие толчки заставляют лазеры на мгновение терять атомы из виду, и измерения прерываются. Для навигации в трясущемся грузовике или в турбулентном потоке воздуха это неприемлемо. Именно эту проблему решает новый метод, предложенный в Sandia.
Направляемые атомы надёжнее свободных
Вместо того чтобы отпускать атомы в свободный полёт, исследователи решили удерживать их внутри узкого светового канала — оптического нановолокна. Аналогия с шариками в трубе здесь абсолютно точна: атомы остаются в постоянном контакте с лазерным излучением, даже если устройство встряхивают. Это и есть ключевое преимущество для полевых условий.
В экспериментах, результаты которых были опубликованы в журнале AVS Quantum Science, атомы цезия успешно удерживались на волокне диаметром всего 420 нанометров. При этом мощность лазера составила лишь 5 мВт — примерно от одной шестой до четверти прежних показателей. С помощью потока мощностью 150 нановатт учёные уже могут имитировать измерения, аналогичные атомной интерферометрии.
«Наша конечная цель — продемонстрировать этот процесс на чипе с фотонной интегральной схемой, но результаты с нановолокном показывают ясный путь к созданию квантовых инерциальных датчиков чип-масштаба», — пояснил исследователь Джонмин Ли.
Сравнение с традиционным подходом выглядит наглядно. Свободно падающие атомы в вакуумной камере очень чувствительны к ударным нагрузкам. Направляемые же атомы находятся в «трубе» и не теряются даже при сильной тряске. Это делает технологию привлекательной для систем навигации на бездорожье или в условиях жёсткой турбулентности.
Тонкая грань между теплом и хрупкостью
Однако у любого светового захвата есть обратная сторона — лазеры выделяют тепло. В ультратонких структурах, которые в 200 раз тоньше человеческого волоса, перегрев способен разрушить атомный волновод, как перегоревшая нить накаливания. До сих пор инженерам приходилось выбирать между двумя крайностями:
- подвешенные волноводы, которые хорошо захватывают атомы, но плохо отводят тепло и ломаются;
- прочные конструкции на твёрдой подложке, которые справляются с нагревом, но неэффективно загружают атомы.
Команда Sandia нашла третий путь — мембранный волновод, закреплённый не по всей длине, а на крошечных кремниевых штифтах по краям. Под микроскопом эти штифты выглядят массивными по сравнению с наномембраной. Именно они играют роль радиаторов, отводящих тепло от лазеров.
«Что делает эту мембрану менее чувствительной к перегреву в вакууме, так это то, что она закреплена на каждом конце небольшими кремниевыми штифтами», — объясняет Ли. Благодаря такому решению удалось совместить эффективную загрузку атомов и надёжный отвод тепла.
Путь к чип-масштабной навигации
Сейчас исследователи переходят от тестов на нановолокне к более практичной платформе. Используя методы лазерного охлаждения и захвата, команда уже получила облако очень холодных атомов, которые накапливаются в отверстии мембранного волновода или в промежутке между двумя кремниевыми иглами.
Ближайшие шаги включают несколько задач. Как сообщает издание Phys.org, исследователи планируют измерить параметры удержания на новой платформе, добавить атомам импульс для определения вращения и интегрировать волновод с другими компонентами на одном чипе.
- проверить накопление холодных атомов в мембране;
- добавить импульсы для измерения вращения;
- интегрировать волновод с другими элементами на чипе.
«Наша концепция ещё не полностью продемонстрирована, но мы очень близки к этому», — говорит Ли. По его словам, все ключевые элементы уже существуют и проверены по отдельности. Осталось собрать их в единую работающую систему.
Пройдёт ещё несколько лет, прежде чем такие датчики появятся на борту самолётов или бронемашин. Но, возможно, главным итогом станет не только навигация: умение удерживать атомы в микроскопическом световом канале пригодится и для квантовых вычислений, и для сверхточных измерений гравитации. Какие ещё неожиданные применения найдёт эта технология, покажет время.
