Американские исследователи приблизили квантовую инерциальную навигацию к масштабу одного фотонного чипа. Разработка удерживает охлаждённые атомы цезия рядом с микроскопическим световодом при низком энергопотреблении. Это открывает путь к компактным датчикам движения для мест, где спутниковый сигнал недоступен или подавляется. Полностью интегрированную систему ещё предстоит создать, но основные компоненты уже прошли экспериментальную проверку.
В основе работает атомный интерферометр, который измеряет ускорение и вращение через изменения квантового состояния охлаждённых атомов. Такие датчики дополняют инерциальную навигацию: транспорт отслеживает своё движение без спутников, а высокая чувствительность позволяет медленнее накапливать ошибки координат.
В опубликованных результатах исследователи удержали атомы цезия возле оптического нановолокна диаметром 420 нм. Для оптической ловушки потребовалось около 5 мВт мощности — в четыре-шесть раз меньше, чем в предыдущих вариантах. Измерения когерентности атомов проводили при мощности рамановских лучей всего 150 нВт.
Обычные атомные интерферометры используют облако ультрахолодных атомов, которое движется свободно в вакуумной камере. Серия лазерных импульсов разделяет и снова объединяет квантовые состояния, изменение фазы показывает ускорение или вращение. Вибрация и резкие движения усложняют работу: лазеры теряют атомы из рабочей области.
Новая схема направляет атомы вдоль поверхности световода вместо свободного падения. Свет внутри тонкого волокна создаёт рядом с ним затухающее электромагнитное поле. Комбинация лучей с длинами волн 793 и 937 нм образует ловушку, которая удерживает охлаждённые атомы и не даёт им уйти при движении устройства.
Нановолокно служит испытательным стендом, а разработчики планируют перенести систему на фотонную интегральную схему. Для будущего чипа создан мембранный волновод на кремниевых опорах. Опоры отводят тепло от области с лазерами и решают проблему миниатюризации: в вакууме тонкие оптические структуры быстро нагреваются и разрушаются.
Авторы рассчитывают объединить на такой платформе направляющие для атомов, оптические компоненты и методы интерферометрии. Линейные волноводы будут измерять ускорение, замкнутые структуры в форме дорожки — определять угловую скорость. Один компактный модуль выполнит функции квантового акселерометра и гироскопа.
О готовом квантовом навигаторе размером с микросхему говорить рано. Эксперименты проводили на нановолокне, а полную интерферометрию на мембранном фотонном чипе ещё предстоит показать. Следующий этап: перенести атомную ловушку на новую платформу, передать атомам импульс лазерными вспышками и объединить компоненты в единую систему.
Главное преимущество — не только размер. Компактный датчик с постоянно удерживаемыми внутри волокна атомами лучше подходит для самолётов, беспилотников и наземного транспорта, где вибрации мешают лабораторным приборам. При успешной интеграции технология станет частью автономной инерциальной навигации, способной работать при глушении GPS или его полной недоступности.
