Сотрудники Национальной лаборатории Sandia в Соединенных Штатах Америки представили миниатюрный квантовый сенсор, энергопотребление которого составляет всего 5 милливатт. Этот показатель примерно в две тысячи раз меньше, чем необходимо для функционирования обычной светодиодной лампы. Разработанная технология может ускорить появление компактных квантовых навигационных систем, способных функционировать без использования спутниковых сигналов.

В настоящее время большая часть навигационных систем полагается на спутниковую инфраструктуру. Она применяется в смартфонах, автомобилях, коммерческих авиалайнерах, морских судах и военной технике. Однако возможность подавления или имитации этих сигналов посредством радиоэлектронных помех представляет собой проблему для критически важных систем.

Кандидатами на решение этой проблемы являются квантовые технологии навигации, не зависящие от внешних спутниковых сигналов и способные обеспечивать высокую точность позиционирования. Исследователи изучают различные методы, в том числе атомную интерферометрию, основанную на измерении перемещения сверххолодных атомов с использованием лазерного излучения.

Традиционные системы такого типа обычно требуют применения сложных вакуумных камер и характеризуются повышенной чувствительностью к вибрациям. Специалисты Sandia применили альтернативный метод – управляемую атомную интерферометрию, в которой атомы перемещаются внутри сверхтонких оптических волокон. Свет, проходящий по этим волокнам, формирует область, удерживающую и контролирующую движение атомов, аналогично тому, как шарики движутся внутри узкой трубки.

Основополагающим аспектом разработки стало использование оптических нановолокон, характеризующихся чрезвычайно малым сечением – всего 420 нанометров, что приблизительно в двести раз меньше диаметра человеческого волоса. Такая конструкция обеспечивает непрерывный контроль над перемещением атомов посредством лазерного излучения, при этом сохраняется компактность всей системы.

Основной сложностью при создании подобного устройства оказался перегрев. Лазерное оборудование, необходимое для манипулирования атомами, генерирует тепловую энергию, а миниатюрные компоненты, расположенные в вакууме, обладают ограниченными возможностями по рассеиванию тепла. Для решения этой проблемы исследователи применили небольшие кремниевые подпорки, выполняющие двойную функцию: фиксацию волновода и отвод тепла.

Проведенные исследования продемонстрировали возможность удержания атомов цезия с использованием всего 5 милливатт оптической мощности, а также возможность измерения квантового состояния атомов при применении световых импульсов мощностью менее одного микроватта.

В дальнейшем ученые намереваются объединить все компоненты системы на одном кристалле и разработать компактную квантовую инерциальную навигационную платформу. Подобные устройства способны обеспечить высокоточное определение местоположения для летательных аппаратов, судов и наземной техники даже в условиях отсутствия или подавления спутниковой навигации.

Исследование опубликовано в журнале AVS Quantum Science.