アメリカ国立サンディア研究所、低消費電力量子センサーを開発 ナビゲーション技術に応用

アメリカ国立サンディア研究所の研究チームは、わずか5ミリワットの電力で動作する量子センサーを開発した。これは標準的なLED電球の約2,000分の1の消費電力であり、厚さわずか420ナノメートルの光ファイバーを使用している。この厚さは人間の髪の毛の約200倍である。このセンサーとその関連技術の開発により、量子センシング技術の実際の応用への道が開かれた。現在、世界はナビゲーションにおいて衛星信号に大きく依存しており、アプリベースの配車サービス、商業航空機、海上のコンテナ船、さらには戦闘に参加する軍事用ドローンに至るまで、すべて衛星信号を頼りに位置を特定し、目的の場所へと誘導されている。 このような高い依存度において、衛星信号を妨害または偽装することでシステムを容易に麻痺させることができる。これは、電磁ノイズを用いてこれらの信号を圧倒することで実現できる。

量子ナビゲーションシステムの利点

この問題に対処するため、科学者たちは量子ベースのナビゲーションシステムの研究を続けてきた。これらのシステムは妨害されにくく、極めて高い精度を持つ。この種のシステムの動作方法はいくつかの方法があるが、その一つは自由空間原子干渉法である。この方法では、超低温の原子が真空室で放出され、レーザーでそれらの動きを測定する。しかし、振動やその他の摂動がこれらの測定を信頼できないものにする可能性があるため、科学者たちはより安定した方法を模索している。緊密に束ねた光のガイド付き原子干渉法は、非光ファイバー機器を用いて原子をガイドし、ビーズが狭いパイプの中を流れるようにすることで、原子が常にレーザーによって観察されるようにする。 サンディア研究所の量子センシングサイエンティストである李鍾敏（Jongmin Lee）は、極小型のデバイスを開発することに専念してきた。このデバイスは非常に少ない電力を消費し、実地での応用が可能である。李の野望は、このデバイスをフォトニック集積回路上に配置することであり、そうすることでデバイスが衝撃を受けても測定が継続できるようにすることだ。現実の状況では、これは車両が険しい地形を通過したり、航空機が乱気流を経験したりするときのナビゲーションをサポートする。李はプレスリリースで次のように説明している。「このアイデアが何十年も社会的に十分に実現されなかったのは、真空中での放熱の課題と原子を効果的にロードする困難が原因だった。」

熱負荷問題の解決に向けた革新

レーザーは光輪効果を作り出して移動する原子をガイドし、カウントする必要がある。しかし、これらはシステム内の主な熱源でもあり、特に人間の髪の毛よりもはるかに細いナノファイバーなどのコンポーネントを扱う場合にはそうだ。このような状況では、科学者たちは常にトレードオフを強いられる。脆弱なデザインを使用するか、原子を良好にロードできるが、高温条件下では破損しやすいものにするか、あるいは熱を良好に処理できる頑丈なデザインを使用するか、しかし原子を効果的にロードできないようにするかのいずれかである。李が率いるサンディア研究所の研究者たちは、小型のシリコン針を使用して導波路を両側から固定し、放熱器として機能させることでこの問題を解決した。 李はプレスリリースで次のように付け加えた。「私たちのナノファイバー研究の結果に基づいて、私たちはセシウム原子がわずか5ミリワットの光パワーで捕獲できることを証明し、サブマイクロワットレベルの光ファイバー結合ビームを使用して原子のコヒーレンスを測定しながら、真空内の熱負荷を最小限に抑えることができる。」 設定におけるいくつかの問題を解決した後、チームはガイドやその他のコンポーネントを1つのチップに統合し、慣性量子センサーアレイを構築することを望んでいる。これらの研究成果は学術誌「AVS Quantum Science」に掲載されている。

量子センサーがナビゲーション技術に与える影響

ナビゲーション技術が衛星信号への依存度を増すにつれ、量子センサーの開発は特に重要になっている。この種のセンサーは、外部からの妨害に耐えるだけでなく、さまざまな極端な環境下でも高い精度を維持できるため、軍事、商業、および民間用のナビゲーションシステムにとって大きな進歩となる。サンディア研究所の研究は、量子技術の実際の応用における可能性を実証しただけでなく、科学者を長年にわたって悩ませてきた熱負荷の問題を解決し、将来の量子ナビゲーションシステムへの道を開いた。