قفزة نوعية في أجهزة استشعار الحركة بالتقنيات الكمومية!

تتضمن رؤية فريق من الباحثين من مختبرات سانديا الوطنية عالماً لم تعد فيه الملاحة تعتمد على الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS). وقد حقق هؤلاء الباحثين تقدمًا رائدًا في تطوير أجهزة استشعار الحركة بالتقنيات الكمومية.

يمثل هذا البحث، الذي نُشر في مجلة (Science Advances)، خطوة مهمة إلى الأمام في تطوير بوصلة كمية، وهو جهاز يمكن أن يقلل من اعتماد البلاد على الأقمار الصناعية لتحديد المواقع العالمية. وبدعم من برنامج سانديا للبحث والتطوير الموجه للمختبر، يعمل الفريق على تقليص حجم وتكلفة هذه التكنولوجيا، مما يجعل من الممكن إنشاء مستشعر للحركة أكثر حساسية بألف مرة من أجهزة الملاحة الحالية.

علم الاستشعار الكمي

في قلب الاستشعار الكمي تكمن ظاهرة ازدواجية الموجة والجسيم، حيث يمكن لجسيمات مثل الذرات أن تظهر سلوكًا يشبه الموجة والجسيم في نفس الوقت. ومن خلال استغلال هذه الخاصية، يمكن للباحثين إنشاء أجهزة استشعار حساسة يمكنها اكتشاف حتى أصغر الاضطرابات في الحركة.

أحد أكثر الأساليب الواعدة للاستشعار الكمي هو قياس التداخل الذري (atom interferometry)، والذي يتضمن تقسيم حزمة من الذرات إلى مسارين، مما يسمح لها بالسفر عبر مسارات منفصلة، ​​ثم إعادة تجميعها لقياس الفرق في أطوارها. ويتناسب فرق الطور (الفرق بين طوري موجتين لهما نفس التردد) (wave phase) هذا بشكل مباشر مع التسارع الذي تتعرض له الذرات، مما يجعل من الممكن استنتاج حركة المستشعر بدقة ملحوظة.

تبريد الذرات

في نظام الاستشعار الكمي، يتم تبريد الذرات إلى درجة قريبة من الصفر المطلق، مما يجعلها حساسة للغاية للتغيرات في بيئتها. ومن خلال التحكم بهذه الذرات بدقة، يستطيع الباحثون قياس التسارع بدقة غير مسبوقة. وهنا يأتي دور قياس التداخل الذري. ولكن ما الذي يجعل الاستشعار الكمي دقيقًا جدًا؟ المفتاح يكمن في سلوك الذرات على المستوى الكمي. فعندما يتم تبريد الذرات، فإنها تظهر سلوكًا موجيًا، مما يسمح بقياسات دقيقة لحركتها.

تقليص التكنولوجيا

حتى وقت قريب، كان مثل هذا الجهاز، الذي يتمتع بحساسية أعلى ألف مرة من أجهزة الملاحة الحالية، يكفي لملء شاحنة متحركة. ولكن التطورات الحديثة تعمل على تقليص حجم وتكلفة هذه التكنولوجيا بشكل كبير.

وفي قلب هذا الابتكار يوجد مُعدِّل ضوئي جديد عالي الأداء من السيليكون (high-performance silicon photonic modulator)، وهو جهاز يتحكم في الضوء على شريحة دقيقة. يعد هذا المعدِّل هو أهم جزء في نظام الليزر على نطاق الرقاقة، وهو متين بما يكفي للتعامل مع الاهتزازات الثقيلة ويحل محل نظام الليزر التقليدي الذي يكون حجمه عادةً بحجم الثلاجة. ومن خلال تسخير مبادئ ميكانيكا الكم، توفر هذه المستشعرات المتقدمة دقة لا مثيل لها في قياس التسارع والسرعة الزاوية (Angular velocity)، مما يتيح التنقل الدقيق حتى في المناطق التي لا يتوفر فيها نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

تؤدي أشعة الليزر عدة وظائف في مقياس التداخل الذري، ويستخدم فريق سانديا أربعة أجهزة تعديل لتحويل تردد ليزر واحد لأداء وظائف مختلفة. ومع ذلك، غالبًا ما تخلق أجهزة التعديل أصداء غير مرغوب فيها تسمى النطاقات الجانبية (sidebands) والتي تحتاج إلى تقليل آثارها. يقلل جهاز التعديل أحادي النطاق الجانبي (single-sideband modulator) المزود بناقل مكبوت من سانديا هذه النطاقات الجانبية بمقدار غير مسبوق يبلغ 47.8 ديسيبل، وهو مقياس يستخدم غالبًا لوصف شدة الصوت ولكنه ينطبق أيضًا على شدة الضوء، مما يؤدي إلى انخفاض يبلغ حوالي 100,000 ضعف.

• تقنية جديدة تساعد علي رصد نمو الأنسجة الحية في المختبر
• كيف تقرأ إحداثيات GPS ؟
• كيف تتعامل المدن الذكية مع الكوارث الطبيعية؟
• هل العلاج بتبريد الخلايا العصبية التالفة حل ناجح ؟
• ما هو إنترنت الأشياء IoT ؟

استكشاف تطبيقات جديدة لأجهزة استشعار الحركة بالتقنيات الكمومية

إن تطبيقات هذه التقنية مذهلة. وباستخدام البوصلة الكمومية، يمكن للقوات التنقل عبر مناطق الحرب دون القلق بشأن التشويش على إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو خداعها. كما يمكن للمستجيبين للطوارئ تحديد موقعهم في المناطق ذات الرؤية المحدودة. ويمكن للطيارين الطيران بثقة، حتى في الضباب الكثيف أو العواصف الشديدة.

كما سنتمكن من اكتشاف التجاويف والموارد الموجودة تحت الأرض بدقة غير مسبوقة، وذلك ببساطة عن طريق قياس التغيرات الدقيقة التي تسببها في قوة الجاذبية الأرضية. وستحدث تغييرات في صناعات مثل التعدين والبناء والمراقبة البيئية. وسنحظى بالقدرة على رسم خريطة للهياكل تحت السطح في مجالات مثل علم الآثار والجيولوجيا.

علاوة على ذلك، فإن المكونات البصرية التي تم تطويرها للبوصلة الكمومية، مثل المغير الضوئي السيليكوني عالي الأداء ــ تُظهِر وعداً هائلاً في تطبيقات مثل الليدار (LIDAR) (تحديد المدى عن طريق الضوء أو الليزر، وهي تقنية استشعار عن بعد بنبضات من الضوء، عادة ما تكون أشعة ليزر وتُحسب بها مسافات أو خصائص الأهداف المرصودة)، والحوسبة الكمومية، والاتصالات البصرية. ومن الممكن أن تؤدي هذه التطورات إلى تطورات في مجالات متنوعة مثل المركبات ذاتية القيادة، والتشخيص الطبي، ونقل البيانات بسرعة عالية.

المصادر

The mother of all motion sensors | science daily

High-performance silicon photonic single-sideband modulators for cold-atom interferometry | science advances