Профессор Кай Бонгс, соавтор исследования и научный сотрудник британского центра квантовых технологий Sensors and Timing, был в восторге от полученных результатов. «Это «момент эврики» в зондировании, который изменит общество, человеческое понимание и экономику«, — сказал он в заявлении Бирмингемского университета.
Ученым впервые удалось заставить «квантовый гравитационный градиентометр», или «квантовый гравиметр», работать в реальных условиях. То есть устройство, способное измерять изменения гравитации, используя принципы квантовой физики. (Неквантовые) датчики гравитации уже существовали, но было трудно получить от них точные результаты, поскольку они очень чувствительны, помимо прочего, к вибрациям Земли. Эти устройства необходимо регулярно перекалибровать, и для получения результатов требуется много времени.
Эта новая «квантовая» версия позволяет получать результаты, по словам исследователей, в десять раз быстрее и с меньшими затратами. Также с помощью этого прибора можно исправить известные нарушения, которые влияли на точность предыдущих гравиметров. На данный момент ученые смогли составить «карту» туннеля, зарытого на глубине одного метра в землю за пределами лаборатории.
По основной идее, работа гравиметра на самом деле не «меняется». Это всегда связано с измерением ускорения силы тяжести в определенном месте, что позволяет определить изменения силы тяжести. Существует несколько типов гравиметров. Возьмем самый «простой» для понимания: пружинный гравиметр.
В этом устройстве груз прикреплен к пружине, которая растягивает его под действием силы тяжести. Затем достаточно измерить изменения в удлинении пружины, чтобы определить изменения силы тяжести. На эту силу тяжести влияет грунт, поскольку она зависит от массы земли, которая может меняться в зависимости от того, что находится под ней.
Квантовый гравиметр работает примерно так же, но с использованием принципов квантовой физики, то есть физики, изучающей явления, происходящие на атомном или субатомном уровне.
«Когда мы говорим о квантовых датчиках, мы имеем в виду датчики, использующие усиленные квантовые эффекты, такие как суперпозиция или, возможно, запутанность«, — сказал Бонгс. «Квантовая суперпозиция — это идея о том, что квантовые частицы могут находиться в двух состояниях одновременно или двигаться по двум траекториям одновременно. Разница между этими двумя траекториями может, по сути, создать квантовую интерференцию в конце, когда мы сводим их вместе, и это позволяет нам прочитать, что вызвало разницу, с очень высокой точностью«, — объясняет он.
Грубо говоря, можно сказать, что в квантовом гравиметре ученые используют атомы вместо гири и пружины. Облака атомов рубидия (Rb) «сбрасываются», а изменения в притяжении гравитационного поля, действующего на эти атомы, измеряются с помощью лазеров вдоль двух различных траекторий. Создание этих двух путей и их последующее объединение называется «интерферометрией атомов».
Чем крупнее объект, структура, расположенная под землей, или имеющая значительную разницу в плотности по отношению к окружающей среде, тем больше будет разница в притяжении. Поэтому именно наблюдение этих различий, как и в обычных гравиметрах, в конечном счете позволяет «картировать» недра. С другой стороны, тот факт, что это квантовый гравиметр, позволяет делать это быстрее и точнее, преодолевая множество паразитных параметров.
Археология без раскопок
«Благодаря этому прорыву мы можем покончить с зависимостью от плохих записей и удачи при исследовании, строительстве и ремонте. Возможность создать подземную карту того, что сейчас невидимо, — это значительный прорыв, который положит конец ситуации, когда мы знаем об Антарктиде больше, чем о том, что лежит в нескольких метрах под нашими улицами«, — говорит Кай Бонгс.
Уже существует множество вариантов использования этого устройства. В археологии возможность составления карты подземного пространства позволит делать открытия и наблюдения без проведения раскопок. В инженерном деле можно было бы лучше узнать состояние недр перед началом земляных работ для строительства. Предлагается также использовать его для поиска природных ресурсов, что будет намного проще. Исследователи также считают, что их инструмент может помочь в прогнозировании стихийных бедствий, таких как извержения вулканов.