Международная группа учёных создала прибор, работающий на основе квантовых эффектов. Он с высокой точностью измеряет своё положение во всех трёх измерениях пространства. Такой прибор более точен, чем обычные аналоги, и может стать альтернативой GPS в случае неполадок или отсутствия сигнала.
Акселерометр измеряет линейное ускорение объекта, исключая влияние гравитации. Прибор регистрирует изменения в движении и тем самым отслеживает положение объекта. В каждом смартфоне или планшете установлен акселерометр: он отвечает за изменение ориентации экрана при горизонтальном положении устройства и служит основой для приложений типа трекеров шагов. Акселерометр состоит из неподвижной и подвижной частей. Движение объекта приводит к перемещению подвижной части, а изменение электрической емкости между частями определяет направление и силу движения.
Квантовый акселерометр измеряет свойства квантовых волн, испускаемых атомами во время ускорения. Это позволяет определить перемещение и положение относительно времени. Он обладает большей чувствительностью и точностью по сравнению с обычными акселерометрами. Первый коммерчески жизнеспособный квантовый акселерометр был разработан в 2018 году командой из Имперского колледжа Лондона. Его устройство работает на ультрахолодных атомах, охлаждаемых мощными лазерами, и не зависит от внешних сигналов.
Ускорение на основе волновых моделей
Стандартные акселерометры определяют скорость движения объекта по времени. При известной начальной позиции можно рассчитать его местоположение. Но эти приборы теряют точность без внешнего эталона длительного наблюдения. Квантовые акселерометры, в отличие от них, автономны и более точны. Большинство современных устройств измеряют положение только в одном направлении, по прямой линии.
Измерение смещений в разных направлениях (продольном, поперечном и вертикальном), как у акселерометров в смартфонах, было бы более полезным. Группа исследователей создала квантовый акселерометр, измеряющий смещения во всех трех измерениях.
(б) Трехмерная модель головки датчика, размещенной на вращающемся столике, способном отклоняться вокруг осей z и x на углы θz и θx соответственно.
Устройство под названием QuAT (от Quantum Accelerometer Triad) представляет собой коробку длиной 40 сантиметров. Внутри размещена меньшая стеклянная коробка с облаком атомов рубидия, поддерживаемым при температуре немного выше абсолютного нуля. В таких условиях атомы проявляют свойства как материи, так и волны.
Три лазера облучают коробку с атомами в трех измерениях: длине, ширине и высоте. Возбуждая атомы, лазеры провоцируют столкновения, создающие пульсации, определяемые скоростью движения аппарата. Изучая волновые картины, можно определить ускорение во всех трех направлениях.
Интерес к сейсмологии и горному делу
Устройство показало эффективность: к столу, совершающему колебания и вращения, прикрепили его. Полученные измерения ускорения для определения положения устройства в пространстве через несколько часов оказались с ошибкой приблизительно в 20 метров. Стандартная неквантовая версия допустила бы ошибку в километр!
Точность прибора обусловлена возможностью управления атомами с высокой степенью точности. Его крайне низкий сдвиг дает возможность отслеживать вектор ускорения продолжительное время, благодаря чему достигается в 50 раз большая стабильность (6×10…). -8В сравнении с традиционными акселерометрами, мы фиксируем вектор ускорения с высокой частотой обновления данных (1 кГц), абсолютной погрешностью значения менее 10 мкг и точностью углового направления 4 мкрад. «, — отмечает команда в своей .
Полученные результаты указывают на высокую полезность устройства на больших транспортных средствах, подверженных значительной вибрации, например, на кораблях. Квантовый акселерометр позволит судну удерживать курс в случае сбоя сигнала GPS. Высокая точность и долговременная стабильность QuAT предлагают перспективную альтернативу для измерений приливного склонения с высоким разрешением, как отмечают исследователи. Устройство также может способствовать совершенствованию сейсмических моделей и характеризации источников землетрясений.
Эксперты, не участвовавшие в создании устройства, считают его полезным для более точного картирования недр Земли при извлечении полезных ископаемых. Гравитационное ускорение немного изменяется в зависимости от состава недр — например, над нефтяной скважиной.