Odvojite pametni telefon, fitnes tracker ili slušalice za virtuelnu stvarnost, a unutra ćete pronaći mali senzor pokreta koji prati njegovu poziciju i kretanje. Veće, skuplje verzije iste tehnologije, veličine grejpfruta i hiljadu puta preciznije, pomažu u navigaciji brodova, aviona i drugih vozila uz pomoć GPS-a.
Sada, naučnici pokušavaju da naprave senzor pokreta tako precizan da bi mogao da umanji oslanjanje nacije na globalne satelite za pozicioniranje. Do nedavno, takav senzor — hiljadu puta osetljiviji od današnjih uređaja za navigaciju — bi napunio kamion u pokretu. Ali napredak dramatično smanjuje veličinu i cenu ove tehnologije.
Po prvi put, istraživači iz Sandia National Laboratories su koristili komponente silicijum fotonskog mikročipa da izvedu tehniku kvantne sensinga koja se zove atomska interferometrija, ultra-precizan način merenja ubrzanja. To je najnovija prekretnica ka razvoju neke vrste kvantnog kompasa za navigaciju kada GPS signali nisu dostupni.
Tim je objavio svoja otkrića i predstavio novi silicijumski fotonski modulator visokih performansi – uređaj koji kontroliše svetlost na mikročipu – kao naslovnu priču u časopisu
Odvojite pametni telefon, fitnes tracker ili slušalice za virtuelnu stvarnost, a unutra ćete pronaći mali senzor pokreta koji prati njegovu poziciju i kretanje. Veće, skuplje verzije iste tehnologije, veličine grejpfruta i hiljadu puta preciznije, pomažu u navigaciji brodova, aviona i drugih vozila uz pomoć GPS-a.
Sada, naučnici pokušavaju da naprave senzor pokreta tako precizan da bi mogao da umanji oslanjanje nacije na globalne satelite za pozicioniranje. Do nedavno, takav senzor — hiljadu puta osetljiviji od današnjih uređaja za navigaciju — bi napunio kamion u pokretu. Ali napredak dramatično smanjuje veličinu i cenu ove tehnologije.
Po prvi put, istraživači iz Sandia National Laboratories su koristili komponente silicijum fotonskog mikročipa da izvedu tehniku kvantne sensinga koja se zove atomska interferometrija, ultra-precizan način merenja ubrzanja. To je najnovija prekretnica ka razvoju neke vrste kvantnog kompasa za navigaciju kada GPS signali nisu dostupni.
Tim je objavio svoja otkrića i predstavio novi silicijumski fotonski modulator visokih performansi – uređaj koji kontroliše svetlost na mikročipu – kao naslovnu priču u časopisu Science Advances.
Istraživanje je podržao Sandijin Laboratori Directed Research and Development program. Delimično se odvijao u Nacionalnom bezbednosnom centru za fotoniku, zajedničkom istraživačkom centru koji razvija integrisana fotonička rešenja za složene probleme u sektoru nacionalne bezbednosti.
„Tačna navigacija postaje izazov u scenarijima iz stvarnog sveta kada GPS signali nisu dostupni“, rekao je naučnik iz Sandije Džongmin Li.
U ratnoj zoni, ovi izazovi predstavljaju rizik za nacionalnu bezbednost, jer jedinice za elektronsko ratovanje mogu da ometaju ili lažiraju satelitske signale kako bi ometali kretanje i operacije trupa.
Kvantno sensiranje nudi rešenje.
„Iskoristivši principe kvantne mehanike, ovi napredni senzori obezbeđuju neuporedivu tačnost u merenju ubrzanja i ugaone brzine, omogućavajući preciznu navigaciju čak i u oblastima u kojima je GPS odbijen“, rekao je Li.
Obično je atomski interferometar senzorski sistem koji ispunjava malu prostoriju. Kompletan kvantni kompas — preciznije nazvan kvantna inercijalna merna jedinica — zahtevao bi šest atomskih interferometara.
Ali Li i njegov tim pronalaze načine da smanje njegovu veličinu, težinu i potrebe za snagom. Već su zamenili veliku vakuumsku pumpu koja zahteva energiju sa vakuumskom komorom veličine avokada i konsolidovali nekoliko komponenti koje su obično delikatno raspoređene preko optičkog stola u jedan, čvrsti aparat.
Novi modulator je središnji deo laserskog sistema na mikročipu. Dovoljno robustan da izdrži teške vibracije, zamenio bi konvencionalni laserski sistem tipično veličine frižidera.
Laseri obavljaju nekoliko poslova u atomskom interferometru, a tim Sandije koristi četiri modulatora da pomeri frekvenciju jednog lasera da bi izvršio različite funkcije.
Međutim, modulatori često stvaraju neželjene eho zvane bočne trake koje treba ublažiti.
Sandiin modulator sa potisnutim nosiocem, jednopojasni opseg smanjuje ove bočne trake za neviđenih 47,8 decibela – mera koja se često koristi za opisivanje intenziteta zvuka, ali je takođe primenljiva na intenzitet svetlosti – što dovodi do skoro 100.000 puta pada.
„Drastično smo poboljšali performanse u poređenju sa onim što postoji“, rekao je naučnik iz Sandije Ashok Kodigala.
Pored veličine, cena je bila glavna prepreka za primenu kvantnih navigacionih uređaja. Svaki atomski interferometar treba laserski sistem, a laserskim sistemima su potrebni modulatori.
„Samo jedan jednopojasni modulator pune veličine, komercijalno dostupan, košta više od 10.000 dolara“, rekao je Li.
Minijaturizacija glomaznih, skupih komponenti u silicijumske fotonske čipove pomaže u smanjenju ovih troškova.
„Možemo da napravimo stotine modulatora na jednoj pločici od 8 inča i još više na pločici od 12 inča“, rekao je Kodigala.
A pošto se mogu proizvoditi koristeći isti proces kao i gotovo svi kompjuterski čipovi, „Ova sofisticirana četvorokanalna komponenta, uključujući dodatne prilagođene karakteristike, može se masovno proizvoditi po mnogo nižoj ceni u poređenju sa današnjim komercijalnim alternativama, omogućavajući proizvodnju kvantnih inercijske merne jedinice po smanjenoj ceni“, rekao je Li.
Kako se tehnologija približava primeni na terenu, tim istražuje druge upotrebe osim navigacije. Istraživači istražuju da li bi to moglo da pomogne u lociranju podzemnih šupljina i resursa otkrivanjem sitnih promena koje one čine Zemljinoj gravitacionoj sili. Oni takođe vide potencijal za optičke komponente koje su izmislili, uključujući modulator, u LIDAR-u, kvantnom računarstvu i optičkim komunikacijama.
„Mislim da je zaista uzbudljivo“, rekao je Kodigala. „Napredujemo mnogo u minijaturizaciji za mnogo različitih aplikacija.“
Li i Kodigala predstavljaju dve polovine multidisciplinarnog tima. Polovinu, uključujući Lija, čine stručnjaci za kvantnu mehaniku i atomsku fiziku. Druga polovina, poput Kodigale, su specijalisti za silicijumsku fotoniku – zamislite mikročip, ali umesto struje koja prolazi kroz njegova kola, postoje snopovi svetlosti.
Ovi timovi sarađuju u Sandijinom kompleksu mikrosistemskog inženjeringa, nauke i aplikacija, gde istraživači dizajniraju, proizvode i testiraju čipove za aplikacije nacionalne bezbednosti.
„Imamo kolege sa kojima možemo da odemo niz hodnik i razgovaramo o ovome i da smislimo kako da rešimo ove ključne probleme za ovu tehnologiju da bismo je izneli na teren“, rekao je Peter Schvindt, naučnik za kvantna senzacija u Sandiji.
Veliki plan tima — da se atomski interferometri pretvore u kompaktni kvantni kompas — premošćuje jaz između osnovnih istraživanja u akademskim institucijama i komercijalnog razvoja u tehnološkim kompanijama. Atomski interferometar je dokazana tehnologija koja bi mogla biti odličan alat za navigaciju koja je odbijena od GPS-a. Sandia-ini stalni napori imaju za cilj da ga učine stabilnijim, upotrebljivijim i komercijalno održivim.
Nacionalni bezbednosni fotonički centar sarađuje sa industrijom, malim preduzećima, akademskim krugovima i vladinim agencijama kako bi razvio nove tehnologije i pomogao u lansiranju novih proizvoda. Sandia ima stotine izdatih patenata i desetine drugih u tužilaštvu koji podržavaju njenu misiju.
„Imam strast da vidim kako se ove tehnologije prelaze u stvarne aplikacije“, rekao je Schvindt.
Majkl Gel, naučnik iz Sandije koji radi sa silicijumskom fotonikom, deli istu strast. „Divno je videti kako se naši fotonički čipovi koriste za primene u stvarnom svetu“, rekao je on.
.
Istraživanje je podržao Sandijin Laboratori Directed Research and Development program. Delimično se odvijao u Nacionalnom bezbednosnom centru za fotoniku, zajedničkom istraživačkom centru koji razvija integrisana fotonička rešenja za složene probleme u sektoru nacionalne bezbednosti.
„Tačna navigacija postaje izazov u scenarijima iz stvarnog sveta kada GPS signali nisu dostupni“, rekao je naučnik iz Sandije Džongmin Li.
U ratnoj zoni, ovi izazovi predstavljaju rizik za nacionalnu bezbednost, jer jedinice za elektronsko ratovanje mogu da ometaju ili lažiraju satelitske signale kako bi ometali kretanje i operacije trupa.
Kvantno sensiranje nudi rešenje.
„Iskoristivši principe kvantne mehanike, ovi napredni senzori obezbeđuju neuporedivu tačnost u merenju ubrzanja i ugaone brzine, omogućavajući preciznu navigaciju čak i u oblastima u kojima je GPS odbijen“, rekao je Li.
Obično je atomski interferometar senzorski sistem koji ispunjava malu prostoriju. Kompletan kvantni kompas — preciznije nazvan kvantna inercijalna merna jedinica — zahtevao bi šest atomskih interferometara.
Ali Li i njegov tim pronalaze načine da smanje njegovu veličinu, težinu i potrebe za snagom. Već su zamenili veliku vakuumsku pumpu koja zahteva energiju sa vakuumskom komorom veličine avokada i konsolidovali nekoliko komponenti koje su obično delikatno raspoređene preko optičkog stola u jedan, čvrsti aparat.
Novi modulator je središnji deo laserskog sistema na mikročipu. Dovoljno robustan da izdrži teške vibracije, zamenio bi konvencionalni laserski sistem tipično veličine frižidera.
Laseri obavljaju nekoliko poslova u atomskom interferometru, a tim Sandije koristi četiri modulatora da pomeri frekvenciju jednog lasera da bi izvršio različite funkcije.
Međutim, modulatori često stvaraju neželjene eho zvane bočne trake koje treba ublažiti.
Sandiin modulator sa potisnutim nosiocem, jednopojasni opseg smanjuje ove bočne trake za neviđenih 47,8 decibela – mera koja se često koristi za opisivanje intenziteta zvuka, ali je takođe primenljiva na intenzitet svetlosti – što dovodi do skoro 100.000 puta pada.
„Drastično smo poboljšali performanse u poređenju sa onim što postoji“, rekao je naučnik iz Sandije Ashok Kodigala.
Pored veličine, cena je bila glavna prepreka za primenu kvantnih navigacionih uređaja. Svaki atomski interferometar treba laserski sistem, a laserskim sistemima su potrebni modulatori.
„Samo jedan jednopojasni modulator pune veličine, komercijalno dostupan, košta više od 10.000 dolara“, rekao je Li.
Minijaturizacija glomaznih, skupih komponenti u silicijumske fotonske čipove pomaže u smanjenju ovih troškova.
„Možemo da napravimo stotine modulatora na jednoj pločici od 8 inča i još više na pločici od 12 inča“, rekao je Kodigala.
A pošto se mogu proizvoditi koristeći isti proces kao i gotovo svi kompjuterski čipovi, „Ova sofisticirana četvorokanalna komponenta, uključujući dodatne prilagođene karakteristike, može se masovno proizvoditi po mnogo nižoj ceni u poređenju sa današnjim komercijalnim alternativama, omogućavajući proizvodnju kvantnih inercijske merne jedinice po smanjenoj ceni“, rekao je Li.
Kako se tehnologija približava primeni na terenu, tim istražuje druge upotrebe osim navigacije. Istraživači istražuju da li bi to moglo da pomogne u lociranju podzemnih šupljina i resursa otkrivanjem sitnih promena koje one čine Zemljinoj gravitacionoj sili. Oni takođe vide potencijal za optičke komponente koje su izmislili, uključujući modulator, u LIDAR-u, kvantnom računarstvu i optičkim komunikacijama.
„Mislim da je zaista uzbudljivo“, rekao je Kodigala. „Napredujemo mnogo u minijaturizaciji za mnogo različitih aplikacija.“
Li i Kodigala predstavljaju dve polovine multidisciplinarnog tima. Polovinu, uključujući Lija, čine stručnjaci za kvantnu mehaniku i atomsku fiziku. Druga polovina, poput Kodigale, su specijalisti za silicijumsku fotoniku – zamislite mikročip, ali umesto struje koja prolazi kroz njegova kola, postoje snopovi svetlosti.
Ovi timovi sarađuju u Sandijinom kompleksu mikrosistemskog inženjeringa, nauke i aplikacija, gde istraživači dizajniraju, proizvode i testiraju čipove za aplikacije nacionalne bezbednosti.
„Imamo kolege sa kojima možemo da odemo niz hodnik i razgovaramo o ovome i da smislimo kako da rešimo ove ključne probleme za ovu tehnologiju da bismo je izneli na teren“, rekao je Peter Schvindt, naučnik za kvantna senzacija u Sandiji.
Veliki plan tima — da se atomski interferometri pretvore u kompaktni kvantni kompas — premošćuje jaz između osnovnih istraživanja u akademskim institucijama i komercijalnog razvoja u tehnološkim kompanijama. Atomski interferometar je dokazana tehnologija koja bi mogla biti odličan alat za navigaciju koja je odbijena od GPS-a. Sandia-ini stalni napori imaju za cilj da ga učine stabilnijim, upotrebljivijim i komercijalno održivim.
Nacionalni bezbednosni fotonički centar sarađuje sa industrijom, malim preduzećima, akademskim krugovima i vladinim agencijama kako bi razvio nove tehnologije i pomogao u lansiranju novih proizvoda. Sandia ima stotine izdatih patenata i desetine drugih u tužilaštvu koji podržavaju njenu misiju.
„Imam strast da vidim kako se ove tehnologije prelaze u stvarne aplikacije“, rekao je Schvindt.
Majkl Gel, naučnik iz Sandije koji radi sa silicijumskom fotonikom, deli istu strast. „Divno je videti kako se naši fotonički čipovi koriste za primene u stvarnom svetu“, rekao je on.
