Международная группа исследователей разработала устройство, основанное на квантовых эффектах, которое может с высокой степенью точности измерять свое положение в трех измерениях пространства. Этот тип устройства, более точный, чем его неквантовые аналоги, может стать полезной заменой системы GPS в случае неисправности или недоступности.
Акселерометр — это прибор, который измеряет линейное негравитационное ускорение объекта, который его несет; он обнаруживает изменения в движении и таким образом отслеживает положение объекта. Все смартфоны (или планшеты) оснащены акселерометром: именно он заставляет экран наклоняться, когда устройство удерживается в горизонтальном положении, и именно на него опираются приложения типа трекеров шагов. Он состоит из неподвижной и подвижной частей; когда происходит движение, подвижная часть перемещается, а изменение электрической емкости между двумя частями определяет направление и степень движения.
Квантовый акселерометр, с другой стороны, основан на измерении свойств квантовых волн, испускаемых атомами во время ускорения — это позволяет определить перемещение, а значит и положение, относительно времени. Он намного чувствительнее и точнее обычных акселерометров. Первый коммерчески жизнеспособный квантовый акселерометр был разработан в 2018 году командой из Имперского колледжа Лондона. Их устройство работает на ультрахолодных атомах, охлаждаемых мощными лазерами, и не зависит ни от какого внешнего сигнала.
Ускорение на основе волновых моделей
Обычные акселерометры измеряют скорость объекта с течением времени. Если известна его начальная точка, то можно вывести его положение. Но эти устройства не могут поддерживать свою точность в течение длительных периодов времени без внешнего эталона. Квантовые акселерометры, с другой стороны, полностью автономны и более точны. Однако большинство созданных на сегодняшний день устройств могут измерять положение только в одном измерении, вдоль прямой линии.
Гораздо полезнее было бы иметь возможность измерять смещения в разных направлениях (продольном, поперечном и вертикальном) — как это уже делают акселерометры в смартфонах. Теперь эта цель достигнута: группе исследователей удалось создать квантовый акселерометр, способный проводить измерения во всех трех измерениях.
Устройство, названное QuAT (от Quantum Accelerometer Triad), имеет форму коробки длиной 40 сантиметров. Внутри находится вторая, меньшая стеклянная коробка, содержащая облако атомов рубидия, поддерживаемое при температуре чуть выше абсолютного нуля. При такой экстремальной температуре атомы ведут себя и как материя, и как волна.
Три лазера направляют коробку с атомами во всех направлениях (длина, ширина и высота). Возбуждая атомы, лазеры генерируют столкновения, вызывающие пульсации, характер которых зависит от движения аппарата. Анализируя волновые картины, можно рассчитать ускорение во всех трех направлениях.
Интерес к сейсмологии и горному делу
Устройство доказало свою состоятельность: исследователи прикрепили его к «движущемуся» столу (который вибрирует и вращается). Затем они обнаружили, что если использовать измерения ускорения для расчета положения устройства в пространстве, то через несколько часов они окажутся неточными примерно на 20 метров. В то же время стандартная неквантовая версия отклонилась бы на километр!
Причина такой точности прибора заключается в том, что атомами можно управлять с большой точностью. «Его ультранизкое смещение позволяет отслеживать вектор ускорения в течение длительного времени, что приводит к 50-кратному увеличению стабильности (6×10-8 г) по сравнению с нашими обычными акселерометрами. Мы регистрируем вектор ускорения с высокой скоростью передачи данных (1 кГц), с абсолютной точностью величины менее 10 мкг и точностью наведения 4 мкрад«, — отмечает команда в своей .
Эти результаты позволяют предположить, что данное устройство будет очень полезно на больших транспортных средствах, которые поглощают много вибрации, например, на кораблях. Корабль, оснащенный таким квантовым акселерометром, сможет держать курс при сбое сигнала GPS. Точность наведения QuAT в сочетании с его долгосрочной стабильностью предлагает перспективную альтернативу для измерений приливного склонения с высоким разрешением, добавляют исследователи. Устройство также может помочь улучшить сейсмические модели и охарактеризовать источники землетрясений.
Другие эксперты, не участвовавшие в разработке устройства, отмечают, что оно также может быть очень полезным для более точного картирования недр Земли в целях добычи полезных ископаемых — гравитационное ускорение немного меняется в зависимости от состава недр, например, над нефтяной скважиной.