Ở những quy mô nhỏ nhất, vũ trụ của chúng ta trở nên kỳ lạ. Các hạt hoạt động giống như quả bóng bi-a hoặc sóng trên mặt nước, tùy thuộc vào cách bạn thăm dò chúng. Các thuộc tính không thể được đo đồng thời hoặc có xu hướng bôi nhọ không chắc chắn trên một phạm vi giá trị. Trực giác của con người làm chúng ta thất vọng.

Trong phần lớn thế kỷ trước, tất cả những điều kỳ lạ này chủ yếu là lãnh địa của các nhà vật lý. Nhưng gần đây, lý thuyết và thực nghiệm đã tiến dần đến thực tế. Xu hướng này có thể nhìn thấy rõ nhất trong sự gia tăng của các máy tính lượng tử thời kỳ đầu, nhưng hành vi lượng tử kỳ lạ hữu ích cho nhiều thứ hơn là tính toán. Một số nhà khoa học và kỹ sư đang xây dựng các mạng truyền thông lượng tử không thể kiểm tra được; những người khác để mắt đến cảm biến.

Trong một bài báo trước khi in gần đây được đăng trên arXiv, một nhóm tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp mô tả một gia tốc kế lượng tử sử dụng tia laser và các nguyên tử rubidi cực lạnh để đo chuyển động trong cả ba chiều với độ chính xác cực cao.

Công trình mở rộng gia tốc kế lượng tử sang chiều thứ ba và có thể mang lại khả năng điều hướng chính xác mà không cần GPS và phát hiện đáng tin cậy các mỏ khoáng sản có giá trị dưới chân.

Sóng nguyên tử

Chúng tôi đã dựa vào gia tốc kế hàng ngày. Nhấc điện thoại lên và màn hình sáng lên. Xoay nó sang một bên và trang bạn đang đọc sẽ chuyển hướng. Một gia tốc kế cơ học nhỏ bé — về cơ bản là một khối lượng được gắn với một cơ chế giống như lò xo — làm cho những hành động này có thể thực hiện được (cùng với các cảm biến khác, như con quay hồi chuyển). Bất cứ khi nào điện thoại di chuyển trong không gian, gia tốc kế của nó sẽ theo dõi chuyển động đó. Điều này bao gồm khoảng thời gian ngắn khi GPS bị mất, như trong đường hầm hoặc điểm chết của tín hiệu di động.

Xem Thêm  Bước tiến lớn đối với máy bay không người lái tự hành nhỏ bé

Hữu ích như chúng vốn có, các máy đo gia tốc cơ học có xu hướng trôi ra khỏi chỗ trống. Để đủ lâu, chúng sẽ tích lũy lỗi trên quy mô hàng km. Điều này không quan trọng đối với điện thoại không liên lạc được với GPS trong thời gian ngắn, nhưng đó là một vấn đề khi thiết bị di chuyển ngoài phạm vi phủ sóng trong thời gian dài. Và đối với các ứng dụng công nghiệp và quân sự, theo dõi vị trí chính xác sẽ hữu ích trên tàu ngầm — vốn không thể truy cập GPS dưới nước — hoặc dự phòng điều hướng trên tàu nếu chúng mất GPS.

Các nhà nghiên cứu từ lâu đã phát triển gia tốc kế lượng tử để cải thiện độ chính xác của việc theo dõi vị trí. Thay vì đo một khối lượng nén một lò xo, gia tốc kế lượng tử đo các đặc tính giống như sóng của vật chất. Các thiết bị này sử dụng tia laser để làm chậm và làm mát các đám mây nguyên tử. Ở trạng thái này, các nguyên tử hoạt động giống như sóng ánh sáng, tạo ra các mẫu giao thoa khi chúng di chuyển. Nhiều tia laser hơn tạo ra và đo lường cách các mẫu này thay đổi để theo dõi vị trí của thiết bị trong không gian.

Thời kỳ đầu của những thiết bị này, được gọi là giao thoa kế nguyên tử, là một mớ hỗn độn của dây và dụng cụ nằm ngổn ngang trên các băng ghế phòng thí nghiệm và chỉ có thể đo một chiều. Nhưng khi laser và kiến ​​thức chuyên môn ngày càng nâng cao, chúng trở nên nhỏ hơn và cứng hơn — và bây giờ chúng đã chuyển sang chế độ 3D.

Xem Thêm  Thiết bị LiDAR thể rắn cực nhỏ có thể lập bản đồ 3D cho trường xem 180 độ đầy đủ

Nâng cấp lượng tử

Máy đo gia tốc lượng tử 3D mới, do nhóm nghiên cứu ở Pháp phát triển, trông giống như một chiếc hộp kim loại có chiều dài bằng một chiếc máy tính xách tay. Nó sử dụng tia laser dọc theo cả ba trục không gian để thao tác và đo lường một đám mây nguyên tử rubidi bị mắc kẹt trong một hộp thủy tinh nhỏ và được làm lạnh gần bằng không tuyệt đối. Giống như các máy đo gia tốc lượng tử trước đó, những tia laser này tạo ra các gợn sóng trong đám mây nguyên tử và giải thích các dạng giao thoa thu được để đo chuyển động.

Để cải thiện độ ổn định và băng thông — các yêu cầu để sử dụng bên ngoài phòng thí nghiệm — thiết bị mới kết hợp các kết quả đọc từ các máy đo gia tốc lượng tử và cổ điển trong một vòng phản hồi nhằm tận dụng thế mạnh của cả hai công nghệ.

Bởi vì nhóm có thể kiểm soát các nguyên tử với độ chính xác cực cao, họ có thể thực hiện các phép đo chính xác tương tự. Để kiểm tra gia tốc kế, họ gắn nó vào một chiếc bàn được lắp đặt để lắc và xoay và nhận thấy hệ thống này chính xác hơn 50 lần so với các cảm biến cấp định vị cổ điển. Trong một khoảng thời gian, vị trí của thiết bị được đo bằng gia tốc kế cổ điển đã lệch đi một km; gia tốc kế lượng tử đóng đinh nó trong vòng 20 mét.

Ray co lại

Gia tốc kế, vẫn còn tương đối lớn và nặng, sẽ không sớm sẵn sàng cho iPhone của bạn. Nhưng được làm nhỏ hơn và mạnh mẽ hơn một chút, nhóm nghiên cứu cho biết nó có thể được lắp đặt trên tàu hoặc tàu ngầm để điều hướng chính xác. Hoặc nó có thể lọt vào tay các nhà địa chất thực địa săn tìm các mỏ khoáng sản bằng cách đo những thay đổi tinh vi của trọng lực.

Xem Thêm  Giới thiệu về hàn robot

Các nhóm khác cũng đang làm việc để thu nhỏ và củng cố các cảm biến lượng tử cho lĩnh vực này. Một nhóm tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia gần đây đã chế tạo một giao thoa kế nguyên tử lạnh – giống như loại được sử dụng ở đây – thành một gói chắc chắn có kích thước bằng một chiếc hộp đựng giày. Trong một bài báo mô tả công việc, các nhà nghiên cứu Sandia nói rằng quá trình thu nhỏ hơn nữa có thể sẽ được thúc đẩy bởi những tiến bộ trong chip quang tử. Họ nói rằng trong tương lai, các thành phần quang học cần thiết cho một giao thoa kế nguyên tử lạnh như của chúng có thể nằm gọn trên một con chip chỉ tám mm ở một cạnh.

Nhiều cảm biến lượng tử hơn, như con quay hồi chuyển, có thể tham gia nhóm. Mặc dù chúng cũng sẽ cần một vài vòng thu nhỏ và tăng cường độ cứng trước khi thoát khỏi phòng thí nghiệm.

Hiện tại, 3D là một bước tiến.

Gần đây, John Close của Đại học Quốc gia Úc đã nói: “Đo lường trong không gian ba chiều là một vấn đề lớn, một bước kỹ thuật cần thiết và tuyệt vời đối với bất kỳ việc sử dụng thực tế nào của máy đo gia tốc lượng tử. Nhà khoa học mới.

Tín dụng hình ảnh: Các mẫu giao thoa xuất hiện trong một đám mây nguyên tử rubidi lạnh giá bị mắc kẹt trong con quay hồi chuyển lượng tử / Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST)