Matt Swayne October 25, 2022

Insider Brief

Sandia Ulusal Laboratuvarları, kuantum atalet sensörlerini devrim niteliğinde, araç üstü navigasyon yardımcıları olarak öngörüyor.

Araştırmacıların, teknolojinin GPS sinyallerinin sıkıştığı veya kaybolduğu yerlerde araçları güvenli bir şekilde yönlendirebilmesi için sensörü kompakt, sağlam bir cihaz haline getirmeleri gerekecek.

Önemli bir dönüm noktasına ulaşıldı: Ekip, kuantum sensörlerinin temel bileşenlerinden biri olan ve tipik laboratuvar kurulumlarından çok daha küçük ve sağlam olacak şekilde tasarlanan bir soğuk atom interferometresini başarıyla inşa etti.

“Sağlam” ya da “dayanıklı” gibi kelimeler kuantum atalet sensörüyle nadiren ilişkilendirilir. Bu olağanüstü bilimsel alet, günümüzün füzeleri, uçakları ve insansız hava araçlarına yön veren cihazlardan bin kat daha doğru hareket ölçümü yapabiliyor. Ancak karmaşık bir lazer ve vakum sistemi içeren hassas, masa boyutundaki bileşen dizisi, teknolojiyi büyük ölçüde topraklanmış ve bir laboratuvarın kontrollü ortamlarıyla sınırlı tutmuştur.

Jongmin Lee bunu değiştirmek istiyor.

Atom fizikçisi, Sandia Ulusal Laboratuvarları’nda kuantum atalet sensörlerini devrim niteliğinde, yerleşik navigasyon yardımcıları olarak öngören bir ekibin parçası. Ekip sensörü kompakt ve sağlam bir cihaz haline getirebilirse, bu teknoloji GPS sinyallerinin sıkıştığı ya da kaybolduğu yerlerde araçları güvenli bir şekilde yönlendirebilir.

Ekip, vizyonlarını gerçekleştirme yolunda önemli bir kilometre taşı olarak, kuantum sensörlerinin temel bir bileşeni olan ve tipik laboratuvar kurulumlarından çok daha küçük ve daha sağlam olacak şekilde tasarlanmış bir soğuk atom interferometresini başarıyla inşa etti. Ekip, prototiplerini Nature Communications adlı akademik dergide açıklayarak, normalde ayrı olan birkaç bileşenin tek bir monolitik yapıya nasıl entegre edileceğini gösterdi. Bunu yaparken, büyük bir optik masa üzerinde bulunan bir sistemin temel bileşenlerini kabaca bir ayakkabı kutusu büyüklüğünde sağlam bir pakete indirgediler.

Lee, “Laboratuvarda çok yüksek hassasiyet gösterildi, ancak gerçek dünyadaki uygulamalar için insanların boyutu, ağırlığı ve gücü küçültmesi ve ardından dinamik bir ortamda çeşitli sorunların üstesinden gelmesi gerekiyor” dedi.

Makalede ayrıca, geliştirilmekte olan teknolojiler kullanılarak sistemin daha da minyatürleştirilmesi için bir yol haritası açıklanmaktadır.

Sandia’nın Laboratuvara Yönelik Araştırma ve Geliştirme programı tarafından finanse edilen prototip, gelişmiş navigasyon teknolojisini laboratuvardan çıkarıp yerdeki, yer altındaki, havadaki ve hatta uzaydaki araçlara taşıma yolunda önemli adımlar atıldığını gösteriyor.

Ultra hassas ölçümler navigasyon gücünü artırıyor

Bir jet gökyüzünde fıçı taklası atarken, mevcut yerleşik navigasyon teknolojisi, GPS olmadan konumunu hesaplamak için uçağın eğimlerini, dönüşlerini ve ivmelerini bir süreliğine ölçebilir. Lee, küçük ölçüm hatalarının, uydularla periyodik olarak senkronize olmadığı sürece bir aracı kademeli olarak rotasından saptırdığını söyledi.

Kuantum algılama da aynı şekilde çalışacaktır, ancak çok daha iyi doğruluk, yerleşik navigasyonun hesaplamalarını sık sık çapraz kontrol etmesi gerekmeyeceği ve uydu sistemlerine olan bağımlılığı azaltacağı anlamına gelir.

Projede çalışan doktora sonrası araştırmacı Roger Ding, zaman içinde değişebilen ve yeniden kalibre edilmesi gereken geleneksel sensörlere kıyasla, “Prensip olarak, üretim varyasyonları ve kalibrasyonları yoktur” dedi.

Projenin baş mühendisi Aaron Ison, atom interferometresini dinamik bir ortama hazırlamak için kendisi ve ekibinin ekstrem ortamlarda kendini kanıtlamış malzemeler kullandığını söyledi. Ayrıca, normalde ayrı ve bağımsız olan parçalar birbirine entegre edildi ve yerine sabitlendi veya manuel kilitleme mekanizmaları ile inşa edildi.

Ison, “Mümkün olduğunca az cıvatalı arayüze sahip monolitik bir yapı, daha sağlam bir atom interferometre yapısı oluşturmanın anahtarıydı” dedi.

Ayrıca ekip, geleneksel ortamlarda sistemin herhangi bir deformasyonunun gerekli izinler dahilinde kalacağını tahmin etmek için sonlu eleman analizi adı verilen endüstri standardı hesaplamaları kullandı. Sandia yeni tasarım üzerinde mekanik stres testleri veya saha testleri yapmamıştır, bu nedenle cihazın gücünü ölçmek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır.

Ison, “Genel olarak küçük, kompakt tasarım doğal olarak daha sert ve sağlam bir yapıya yol açıyor” dedi.

Fotonik, daha minyatür sistemlere giden yolu aydınlatıyor

Ding, modern atom interferometri deneylerinin çoğunda, stabilite nedeniyle büyük bir optik masaya monte edilmiş bir lazer sistemi kullanıldığını söyledi. Sandia’nın cihazı nispeten kompakttır, ancak ekip entegre fotonik teknolojileri kullanarak kuantum sensörlerini çok daha küçük hale getirmek için daha fazla tasarım iyileştirmesi yapmıştır.

Projenin baş araştırmacısı ve kuantum algılama uzmanı Peter Schwindt, “Bir kuruştan daha küçük bir çip üzerine yerleştirilebilecek onlarca ila yüzlerce unsur var” dedi.

Lazer veya optik fiber gibi fotonik cihazlar, faydalı işler yapmak için ışığı kullanır ve entegre cihazlar birçok farklı unsur içerir. Fotonikler telekomünikasyonda yaygın olarak kullanılmaktadır ve devam eden araştırmalar onları daha küçük ve çok yönlü hale getirmektedir.

Schwindt, daha fazla iyileştirme ile bir interferometrenin ihtiyaç duyduğu alanın birkaç litre kadar az olabileceğini düşünüyor. Onun hayali bir gazoz kutusu büyüklüğünde bir tane yapmak.

Sandia ekibi makalelerinde, lazer düzeneklerinin çoğunun yerini her bir kenarı yaklaşık sekiz milimetre olan tek bir fotonik entegre devrenin aldığı gelecekteki bir tasarımın ana hatlarını çiziyor. Optik bileşenlerin bir devreye entegre edilmesi bir atom interferometresini küçültmekle kalmayacak, aynı zamanda bileşenleri yerine sabitleyerek daha sağlam hale getirecektir.

Ekip henüz bunu yapamasa da, ihtiyaç duydukları fotonik teknolojilerin çoğu şu anda Sandia’da geliştiriliyor.

Ding, “Bu, son derece minyatürleştirilmiş sistemlere giden uygun bir yoldur” dedi.

Bu arada Lee, entegre fotonik devrelerin muhtemelen maliyetleri düşüreceğini ve gelecekteki üretim için ölçeklenebilirliği artıracağını söyledi.

Lee, “Sandia, navigasyonda kuantum algılamanın geleceği için iddialı bir vizyon ortaya koydu” dedi.

Sandia Ulusal Laboratuvarları, Honeywell International Inc. şirketinin yüzde yüz iştiraki olan Sandia LLC’nin Ulusal Teknoloji ve Mühendislik Çözümleri tarafından ABD Enerji Bakanlığı Ulusal Nükleer Güvenlik İdaresi için işletilen çok amaçlı bir laboratuvardır. Sandia Labs, Albuquerque, New Mexico ve Livermore, California’daki ana tesisleri ile nükleer caydırıcılık, küresel güvenlik, savunma, enerji teknolojileri ve ekonomik rekabetçilik alanlarında önemli araştırma ve geliştirme sorumluluklarına sahiptir.