مختبر سانديا الوطني الأمريكي يطور مستشعرًا كميًا منخفض الطاقة لاستخدامه في تقنية الملاحة

طور باحثون في مختبر سانديا الوطني الأمريكي مستشعرًا كميًا يتطلب فقط 5 مللي واط من الطاقة، أي حوالي 1/2000 من لمبة LED قياسية، ويستخدم ليفًا ضوئيًا بسمك 420 نانومتر فقط، وهو ما يعادل 200 ضعف سمك شعرة الإنسان. يمثل تطوير هذا المستشعر وتقنياته ذات الصلة خطوة كبيرة نحو تطبيق تقنيات الاستشعار الكمي في العالم الحقيقي. يعتمد العالم اليوم اعتمادًا كبيرًا على إشارات الأقمار الصناعية في الملاحة، بدءًا من تطبيقات سيارات الأجرة التجارية والطائرات التجارية وسفن الحاويات في البحر، وحتى الطائرات العسكرية بدون طيار التي تشارك في المعارك، حيث تعتمد جميعها على إشارات الأقمار الصناعية لتحديد موقعها والملاحة إلى وجهتها.

مع هذا الاعتماد الكبير، يمكن أن تتعرض الأنظمة للتشويش أو الخداع بسهولة من خلال إشارات الأقمار الصناعية، وهو ما يمكن تحقيقه من خلال الضوضاء الكهرومغناطيسية التي تطغى على هذه الإشارات.

مزايا أنظمة الملاحة الكمية

لحل هذه المشكلة، يعمل العلماء على تطوير أنظمة ملاحة تعتمد على الكوانتوم، والتي لا تتميز فقط بمقاومتها للتشويش، بل تتمتع أيضًا بدقة عالية للغاية. هناك طرق مختلفة لتشغيل هذه الأنظمة، إحداها هي طريقة التداخل الذري في الفضاء الحر. في هذه الطريقة، يتم إطلاق ذرات مبردة فائقة البرودة في غرفة مفرغة، ويستخدم الليزر لقياس حركتها. ومع ذلك، يمكن أن تجعل الاهتزازات أو الاضطرابات الأخرى هذه القياسات غير موثوقة، مما دفع العلماء إلى البحث عن طرق أكثر استقرارًا. تستخدم طريقة التداخل الذري الموجَّه بحزم ضوئية ضيقة أجهزة غير ليفية لتوجيه الذرات، بشكل مشابه لتدفق الكريات في أنبوب ضيق، مما يضمن دائمًا مراقبتها بواسطة الليزر.

يعمل عالم المستشعرات الكمية في مختبر سانديا الوطني، لي جونغمين (Jongmin Lee)، على تطوير جهاز صغير للغاية يستهلك طاقة قليلة جدًا ويمكن استخدامه في التطبيقات العملية. يطمح لي إلى وضع هذا الجهاز على دائرة ضوئية متكاملة، بحيث يمكن أن يستمر القياس حتى إذا تعرض الجهاز للاصطدام. في المواقف الواقعية، يمكن أن يدعم هذا الملاحة أثناء تنقل المركبات في تضاريس وعرة أو تعرض الطائرات لاضطرابات هوائية. كما أوضح لي في بيان صحفي: "لم يتمكن المجتمع من تحقيق هذه الفكرة لعقود من الزمن بسبب تحديات تبديد الحرارة في الفراغ وصعوبة تحميل الذرات بشكل فعال."

الابتكار في حل مشكلة الحمل الحراري

يحتاج الليزر إلى إنشاء تأثير حلقي لتوجيه وعد الذرات المتحركة. ومع ذلك، فإن هذه أيضًا هي المصادر الرئيسية للحرارة في النظام، خاصة عند التعامل مع مكونات مثل الألياف النانوية التي هي أدق من الشعر البشري. في مثل هذه الحالات، يحتاج العلماء دائمًا إلى إجراء مقايضات. إما استخدام تصميم هش يمكنه تحميل الذرات بشكل جيد ولكنه عرضة للكسر في ظل الظروف الحرارية العالية، أو استخدام تصميم قوي يمكنه التعامل مع الحرارة بشكل جيد ولكنه غير قادر على تحميل الذرات بشكل فعال. تغلب الباحثون في مختبر سانديا الوطني بقيادة لي على هذه المشكلة من خلال استخدام إبر سيليكون صغيرة لتثبيت الموجِّه على الجانبين وكمشتتات للحرارة.

أضاف لي في بيان صحفي: "بناءً على نتائج أبحاثنا على الألياف النانوية، أثبتنا أنه يمكن التقاط ذرات السيزيوم باستخدام طاقة ضوئية تبلغ 5 مللي واط فقط، ويمكن قياس تماسك الذرات باستخدام حزمة ليفية مقترنة بأقل من الميكرو واط، مع تقليل الحمل الحراري في الفراغ إلى الحد الأدنى."

بعد حل بعض المشكلات في الإعداد، يأمل الفريق في دمج الموجهات والمكونات الأخرى في شريحة واحدة وإنشاء مجموعة من مستشعرات الكم بالقصور الذاتي. تم نشر هذه النتائج في مجلة AVS Quantum Science.

تأثير المستشعرات الكمية على تقنية الملاحة

مع زيادة اعتماد تقنيات الملاحة على إشارات الأقمار الصناعية، يصبح تطوير المستشعرات الكمية ذا أهمية خاصة. لا يمكن لهذه المستشعرات فقط مقاومة التداخلات الخارجية، بل تحافظ أيضًا على دقتها العالية في بيئات متنوعة، مما يمثل تقدمًا كبيرًا لأنظمة الملاحة العسكرية والتجارية والمدنية. يوضح بحث مختبر سانديا الوطني ليس فقط الإمكانات الكبيرة للتكنولوجيا الكمية في التطبيقات العملية، بل يحل أيضًا مشكلة الحمل الحراري التي طالما أزعجت العلماء، مما يمهد الطريق لأنظمة الملاحة الكمية المستقبلية.