doi.org/10.1126/sciadv.ade4454
Credibilidade: 989
#gps
Um marco na detecção quântica está se aproximando, prometendo navegação extremamente precisa e sem GPS
Desmonte um smartphone, rastreador de condicionamento físico ou fone de ouvido de realidade virtual e, dentro dele, você encontrará um pequeno sensor de movimento rastreando sua posição e movimento. Versões maiores e mais caras da mesma tecnologia, do tamanho de uma toranja e mil vezes mais precisas, ajudam a navegar em navios, aviões e outros veículos com assistência de GPS.
Agora, os cientistas estão tentando fazer um sensor de movimento tão preciso que poderia minimizar a dependência da nação em satélites de posicionamento global. Até recentemente, um sensor mil vezes mais sensível do que os dispositivos de navegação de hoje teria enchido um caminhão em movimento. Mas os avanços estão reduzindo drasticamente o tamanho e o custo dessa tecnologia.
Pela primeira vez, pesquisadores do Sandia National Laboratories usaram componentes de microchip fotônico de silício para executar uma técnica de detecção quântica chamada interferometria atômica, uma maneira ultraprecisa de medir a aceleração. É o mais recente marco no desenvolvimento de um tipo de bússola quântica para navegação quando os sinais de GPS não estão disponíveis.
A equipe publicou suas descobertas e introduziu um novo modulador fotônico de silício de alto desempenho, um dispositivo que controla a luz em um microchip, como matéria de capa no periódico Science Advances.
A pesquisa foi apoiada pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Direcionado pelo Laboratório de Sandia. Ela ocorreu, em parte, no National Security Photonics Center, um centro de pesquisa colaborativa que desenvolve soluções fotônicas integradas para problemas complexos no setor de segurança nacional.
Navegação sem GPS é uma questão de segurança nacional
A navegação precisa se torna um desafio em cenários do mundo real quando os sinais de GPS não estão disponíveis,- disse o cientista de Sandia Jongmin Lee.
Em uma zona de guerra, esses desafios representam riscos à segurança nacional, pois as unidades de guerra eletrônica podem bloquear ou falsificar sinais de satélite para interromper os movimentos e operações das tropas.
A detecção quântica oferece uma solução.
Ao aproveitar os princípios da mecânica quântica, esses sensores avançados fornecem precisão incomparável na medição de aceleração e velocidade angular, permitindo uma navegação precisa mesmo em áreas sem GPS,- disse Lee.
Modulador, a peça central de um sistema de laser em escala de chip
Normalmente, um interferômetro atômico é um sistema de sensor que preenche uma pequena sala. Uma bússola quântica completa, mais precisamente chamada de unidade de medição inercial quântica, exigiria seis interferômetros atômicos.
Mas Lee e sua equipe têm encontrado maneiras de reduzir seu tamanho, peso e necessidades de energia. Eles já substituíram uma bomba de vácuo grande e faminta por energia por uma câmara de vácuo do tamanho de um abacate e consolidaram vários componentes geralmente dispostos delicadamente em uma mesa óptica em um único aparelho rígido.
O novo modulador é a peça central de um sistema de laser em um microchip. Robusto o suficiente para lidar com vibrações pesadas, ele substituiria um sistema de laser convencional, normalmente do tamanho de uma geladeira.
Os lasers realizam vários trabalhos em um interferômetro atômico, e a equipe da Sandia usa quatro moduladores para mudar a frequência de um único laser para executar funções diferentes.
No entanto, os moduladores geralmente criam ecos indesejados chamados bandas laterais que precisam ser mitigados.
O modulador de banda lateral única e portadora suprimida da Sandia reduz essas bandas laterais em 47,8 decibéis sem precedentes, uma medida frequentemente usada para descrever a intensidade do som, mas também aplicável à intensidade da luz, resultando em uma queda de quase 100.000 vezes.
Melhoramos drasticamente o desempenho em comparação com o que está por aí, – disse o cientista da Sandia, Ashok Kodigala.
Dispositivo de silício produzido em massa e mais acessível
Além do tamanho, o custo tem sido um grande obstáculo para a implantação de dispositivos de navegação quântica. Todo interferômetro atômico precisa de um sistema de laser, e os sistemas de laser precisam de moduladores.
Apenas um modulador de banda lateral única de tamanho normal, disponível comercialmente, custa mais de US$ 10.000,- disse Lee.
Miniaturizar componentes volumosos e caros em chips fotônicos de silício ajuda a reduzir esses custos.
Podemos fazer centenas de moduladores em um único wafer de 8 polegadas e ainda mais em um wafer de 12 polegadas,- disse Kodigala.
E como eles podem ser fabricados usando o mesmo processo de praticamente todos os chips de computador, este sofisticado componente de quatro canais, incluindo recursos personalizados adicionais, pode ser produzido em massa a um custo muito menor em comparação com as alternativas comerciais atuais, permitindo a produção de unidades de medição inercial quântica a um custo reduzido,- disse Lee.
À medida que a tecnologia se aproxima da implantação em campo, a equipe está explorando outros usos além da navegação.
Pesquisadores estão investigando se isso poderia ajudar a localizar cavidades subterrâneas e recursos detectando as pequenas mudanças que elas fazem na força gravitacional da Terra. Eles também veem potencial para os componentes ópticos que inventaram, incluindo o modulador, em LIDAR, computação quântica e comunicações ópticas.
Eu acho isso muito emocionante,- disse Kodigala. Estamos fazendo muito progresso na miniaturização para muitas aplicações diferentes.-
Equipe multidisciplinar elevando o conceito de bússola quântica à realidade
Lee e Kodigala representam duas metades de uma equipe multidisciplinar. Uma metade, incluindo Lee, consiste em especialistas em mecânica quântica e física atômica. A outra metade, como Kodigala, são especialistas em fotônica de silício, pense em um microchip, mas em vez de eletricidade passando por seus circuitos, há feixes de luz.
Essas equipes colaboram no complexo de Engenharia, Ciência e Aplicações de Microsistemas de Sandia, onde pesquisadores projetam, produzem e testam chips para aplicações de segurança nacional.
Temos colegas com quem podemos conversar sobre isso e descobrir como resolver esses problemas-chave para que essa tecnologia seja lançada em campo, – disse Peter Schwindt, um cientista de detecção quântica na Sandia.
O grande plano da equipe de transformar interferômetros atômicos em uma bússola quântica compacta preenche a lacuna entre a pesquisa básica em instituições acadêmicas e o desenvolvimento comercial em empresas de tecnologia. Um interferômetro atômico é uma tecnologia comprovada que pode ser uma excelente ferramenta para navegação sem GPS. Os esforços contínuos da Sandia visam torná-la mais estável, viável em campo e comercialmente viável.
O National Security Photonics Center colabora com a indústria, pequenas empresas, academia e agências governamentais para desenvolver novas tecnologias e ajudar a lançar novos produtos. A Sandia tem centenas de patentes emitidas e dezenas de outras em andamento que apoiam sua missão.
Tenho paixão em ver essas tecnologias se transformarem em aplicações reais, – disse Schwindt.
Michael Gehl, um cientista da Sandia que trabalha com fotônica de silício, compartilha a mesma paixão. É ótimo ver nossos chips fotônicos sendo usados “”em aplicações do mundo real”, disse ele.
Publicado em 22/08/2024 23h24
Artigo original:
Estudo original: