- ห้องปฏิบัติการแห่งชาติซานเดียพัฒนาเซ็นเซอร์ควอนตัมประสิทธิภาพด้านการใช้พลังงานต่ำ ที่ใช้พลังงานเพียง 5 มิลลิวัตต์
- ระบบการนำทางแบบควอนตัมมีความภักดีต่อการรบกวนน้อยและมีความแม่นยำสูง ซึ่งแก้ไขปัญหาความเปราะบางของสัญญาณดาวเทียม
- ทีมวิจัยพยายามรวมเซ็นเซอร์ควอนตัมเข้ากับวงจรโฟตอนิกเพื่อเพิ่มความเสถียรในการใช้งานจริง
- ผลงานวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร AVS Quantum Science
นักวิจัยของห้องปฏิบัติการแห่งชาติซานเดียได้พัฒนาเซ็นเซอร์ควอนตัมที่ใช้พลังงานเพียง 5 มิลลิวัตต์ เท่ากับประมาณ 1/2,000 ของหลอดไฟ LED มาตรฐาน และใช้เส้นใยนำแสงที่มีความหนาเพียง 420 นาโนเมตร หรือหนาเท่ากับประมาณ 200 เท่าของเส้นผมของมนุษย์ การพัฒนาเซ็นเซอร์และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องนี้ได้เปิดทางให้กับการใช้งานเซ็นเซอร์ควอนตัมในสถานที่จริง ปัจจุบันโลกมีความเชื่อมั่นสูงในสัญญาณดาวเทียมในการนำทาง โดยตั้งแต่แอปพลิเคชันแท็กซี่ อากาศยานพาณิชย์ ลำเลียงสินค้าทะเล แม้กระทั่งยานอวกาศทหารที่เข้าร่วมการรบ ต่างใช้สัญญาณดาวเทียมในการระบุตำแหน่งและนำทางไปยังจุดหมายปลายทาง
ในสถานการณ์ที่มีความเชื่อมั่นสูงเช่นนี้ การรบกวนหรือการปลอมแปลงสัญญาณดาวเทียมอาจทำให้ระบบล่มสลายได้ โดยสามารถทำได้ผ่านการสร้างความรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อทำให้สัญญาณเหล่านั้นถูกบดบัง
ความได้เปรียบของระบบการนำทางแบบควอนตัม
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาระบบการนำทางแบบควอนตัม ซึ่งไม่เพียงแต่มีความภักดีต่อการรบกวนน้อย แต่ยังมีความแม่นยำสูงอีกด้วย การทำงานของระบบแบบนี้มีหลายวิธี โดยหนึ่งในนั้นคือวิธีการปฏิสนธิอะตอมในอากาศเสรี ในวิธีนี้ อะตอมที่เย็นมากจะถูกปล่อยในห้องว่าง และใช้ลาเซอร์ในการวัดการเคลื่อนไหวของมัน แต่การสั่นสะเทือนหรือการรบกวนอื่นๆ อาจทำให้การวัดเหล่านั้นไม่เชื่อถือ นำไปสู่การค้นหาวิธีที่มีความเสถียรมากขึ้น วิธีการปฏิสนธิอะตอมที่มีการนำทางแบบแสงแน่น ใช้อุปกรณ์ที่ไม่ใช่เส้นใยนำแสงในการนำทางอะตอม คล้ายกับการเคลื่อนไหวของแม่กำปั้นในท่อแคบ ซึ่งให้ความมั่นใจว่าอะตอมเหล่านั้นจะถูกลาเซอร์สังเกตอยู่เสมอ
นักวิทยาศาสตร์ควอนตัมของห้องปฏิบัติการแห่งชาติซานเดีย หลี จงมิน (Jongmin Lee) ได้พยายามสร้างอุปกรณ์ขนาดเล็กที่ใช้พลังงานน้อยมากและสามารถใช้งานได้ในสถานที่จริง ความมุ่งมั่นของหลีคือการวางอุปกรณ์นี้บนวงจรโฟตอนิกรวม เพื่อให้แม้อุปกรณ์ได้รับการกระทบกระเทือน การวัดยังคงดำเนินต่อไปได้ ในสถานการณ์จริง สิ่งนี้สามารถสนับสนุนการนำทางในยานพาหนะที่เดินทางผ่านพื้นที่หินย้อยหรือเครื่องบินที่ประสบกับการผันผวนอากาศ หลีได้อธิบายในข่าวแถลงของห้องปฏิบัติการว่า: "ความคิดนี้ไม่ได้รับการตอบรับอย่างเพียงพอจากสังคมเป็นเวลาหลายทศวรรษ เนื่องจากความท้าทายในการระบายความร้อนในสุญญากาศและความยากลำบากในการบรรจุอะตอมอย่างมีประสิทธิภาพ"
การแก้ปัญหาปัญหาภาระความร้อน
ลาเซอร์ต้องสร้างผลการแสงสว่างแบบวงกลมเพื่อนำทางและนับอะตอมที่เคลื่อนไหว แต่นี่เป็นแหล่งความร้อนหลักในระบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเกี่ยวข้องกับส่วนประกอบที่มีขนาดเล็กกว่าเส้นผมมนุษย์ ในกรณีนี้ นักวิทยาศาสตร์ต้องทำการเลือกที่จะใช้อุปกรณ์ที่เปราะบาง ซึ่งสามารถบรรจุอะตอมได้ดี แต่ในสภาวะความร้อนสูงจะแตกหักง่าย หรืออุปกรณ์ที่แข็งแรง ซึ่งสามารถจัดการความร้อนได้ดี แต่ไม่สามารถบรรจุอะตอมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทีมวิจัยของห้องปฏิบัติการแห่งชาติซานเดียซึ่งนำโดยหลีได้แก้ไขปัญหานี้ด้วยการใช้เข็มซิลิคอนขนาดเล็ก เพื่อตรึงคลื่นนำและใช้เป็นหัวระบายความร้อน
หลีได้เพิ่มในข่าวแถลงว่า: "จากผลของการศึกษาเส้นใยนาโนฟิเบอร์ของเรา เราได้พิสูจน์ว่า อะตอมซีเซียมสามารถจับได้ด้วยพลังงานแสงเพียง 5 มิลลิวัตต์ และสามารถวัดความเป็นเอกภาพของอะตอมด้วยพลังงานแสงเลเซอร์ผสมในเส้นใยเพียง 1 มิโครวัตต์ โดยลดการรับภาระความร้อนในสุญญากาศให้เหลือน้อยที่สุด"
หลังจากแก้ไขปัญหาบางประการในการตั้งค่า ทีมวิจัยหวังที่จะรวมตัวนำและส่วนประกอบอื่นๆ เข้ากับแผ่นชิป และสร้างอาเรย์เซ็นเซอร์ควอนตัมแบบเชิงความเฉื่อย ผลงานวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร AVS Quantum Science
ผลกระทบของเซ็นเซอร์ควอนตัมต่อเทคโนโลยีการนำทาง
เมื่อเทคโนโลยีการนำทางมีความเชื่อมั่นสูงในสัญญาณดาวเทียม การพัฒนาเซ็นเซอร์ควอนตัมมีความสำคัญยิ่ง เซ็นเซอร์ประเภทนี้ไม่เพียงแต่สามารถต้านทานการรบกวนภายนอก แต่ยังสามารถรักษาความแม่นยำสูงในสภาวะอันตรายต่างๆ นี่เป็นการพัฒนาที่สำคัญสำหรับระบบการนำทางทางทหาร พาณิชย์ และพลเมือง การวิจัยของห้องปฏิบัติการแห่งชาติซานเดียไม่เพียงแต่แสดงศักยภาพของเทคโนโลยีควอนตัมในการใช้งานจริง แต่ยังแก้ไขปัญหาภาระความร้อนที่นานแล้วที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องประสบความยากลำบาก เปิดทางให้กับระบบการนำทางควอนตัมในอนาคต