Исследователи в США приблизили квантовую инерциальную навигацию без GPS к формату одного фотонного чипа. Новая схема удерживает охлаждённые атомы цезия рядом с микроскопическим световодом при очень низком энергопотреблении, что открывает путь к компактным акселерометрам и гироскопам для работы там, где спутниковый сигнал отсутствует или подавляется. Полностью интегрированный навигационный чип пока не создан, но ключевые элементы системы уже прошли экспериментальную проверку.
В основе разработки лежит атомный интерферометр, который измеряет ускорение и вращение по изменениям квантового состояния охлаждённых атомов. Такие датчики могут дополнять инерциальную навигацию: транспорт отслеживает собственное движение без сигналов спутников, а высокая чувствительность атомных сенсоров позволяет медленнее накапливать ошибку координат.
В опубликованных результатах исследователи продемонстрировали удержание атомов цезия возле оптического нановолокна диаметром всего 420 нм. Для создания оптической ловушки потребовалось около 5 мВт мощности, примерно в четыре-шесть раз меньше, чем в предыдущих вариантах такой технологии. Измерения когерентности атомов удалось проводить при мощности связанных с волокном рамановских лучей всего 150 нВт.
Обычные атомные интерферометры часто работают с облаком ультрахолодных атомов, которое свободно движется внутри вакуумной камеры. Серия лазерных импульсов разделяет и затем снова объединяет квантовые состояния атомов, а изменение фазы позволяет вычислить ускорение или вращение. Сильная вибрация и резкие движения усложняют такие измерения, поскольку лазерная система может потерять атомы из рабочей области.
Новая схема вместо свободного падения направляет атомы вдоль поверхности световода. Свет, проходящий внутри чрезвычайно тонкого волокна, создаёт рядом с ним затухающее электромагнитное поле. Комбинация лучей с длинами волн 793 и 937 нм формирует оптическую ловушку, которая удерживает охлаждённые атомы рядом со световодом и не даёт им покинуть измерительную область при движении устройства.
Нановолокно служит испытательным стендом, а конечную систему разработчики хотят перенести на фотонную интегральную схему. Для будущего чипа создан мембранный волновод, закреплённый на кремниевых опорах. Опоры отводят тепло от области, где работают лазеры, и решают одну из основных проблем миниатюризации: в вакууме тонкие оптические структуры быстро нагреваются и могут разрушаться.
Авторы исследования рассчитывают объединить на такой платформе направляющие для атомов, оптические компоненты и методы атомной интерферометрии. Линейные волноводы предполагается использовать для измерения ускорения, а замкнутые структуры в форме дорожки для определения угловой скорости. В результате один компактный модуль сможет выполнять функции квантового акселерометра и гироскопа.
Говорить о готовом квантовом навигаторе размером с микросхему пока рано. Эксперименты с удержанием атомов и проверкой их когерентности проводились на нановолокне, а полноценную интерферометрию непосредственно на мембранном фотонном чипе ещё предстоит продемонстрировать. Следующий этап включает перенос атомной ловушки на новую платформу, передачу атомам импульса лазерными вспышками и объединение компонентов в единую систему.
Главное преимущество такого подхода связано не только с размерами. Компактный датчик, который постоянно удерживает атомы внутри оптического проводника, потенциально лучше подходит для самолётов, беспилотных аппаратов и наземного транспорта, где вибрации мешают лабораторным квантовым приборам. При успешной интеграции технология сможет стать частью автономной инерциальной навигации, способной продолжать работу при глушении или полной недоступности GPS.