В ближайшее время в области квантового зондирования ожидается прорыв. Речь идет о создании технологий, которые позволят навигации стать максимально точной даже без использования GPS.

Открыв корпус смартфона, фитнес-браслета или VR-гарнитуры, вы обнаружите крошечный датчик движения, который фиксирует каждое изменение положения устройства. Крупные и более дорогие версии таких датчиков, обладающие высокой точностью, используются на кораблях, самолетах и других транспортных средствах, где они работают в связке с GPS для обеспечения навигации.

Однако ученые стремятся создать датчик, способный минимизировать зависимость от спутников. Если раньше подобное устройство, в тысячу раз более чувствительное, чем нынешние, занимало бы пространство грузовика, то современные достижения позволяют существенно сократить его размеры и себестоимость.

Недавно исследователи впервые применили кремниевые фотонные микрочипы для реализации метода квантового зондирования, известного как атомная интерферометрия. Этот метод обеспечивает предельную точность измерений ускорения. Такое изобретение может стать основой для разработки квантового компаса — инновационного устройства, которое обеспечит навигацию даже в условиях отсутствия GPS.

Ученые опубликовали результаты своих исследований, продемонстрировав новый высокоэффективный кремниевый фотонный модулятор — ключевой элемент в работе лазерных систем.

Проблемы навигации вне зоны GPS

Во многих случаях, особенно в сложных и экстремальных условиях, отсутствие GPS-сигнала становится серьезной проблемой.

В военных конфликтах радиоэлектронные атаки могут блокировать или искажать спутниковые сигналы, что нарушает координацию действий и передвижение войск.

Квантовое зондирование предлагает выход из этой ситуации. Используя законы квантовой механики, такие датчики обеспечивают невероятно точные измерения ускорения и угловой скорости. Это открывает возможность создания надежных систем навигации в местах, где GPS-сигналы недоступны или ненадежны.

Компактные решения для больших задач

Традиционные атомные интерферометры представляют собой громоздкие устройства, занимающие значительное пространство. Для полноценного квантового компаса, или инерциального измерительного блока, потребуется шесть таких интерферометров.

Тем не менее, исследователи активно работают над уменьшением размеров, веса и энергопотребления подобных систем. Они заменили объемные вакуумные насосы компактной камерой, не превышающей размер авокадо, и собрали ранее разрозненные компоненты в единое жесткое устройство.

Ключевым элементом лазерной системы стал новый модулятор на основе микрочипа. Это устройство, способное выдерживать сильные вибрации, значительно компактнее и заменяет лазерные системы размером с холодильник.

Лазеры в атомных интерферометрах выполняют сразу несколько задач. Для управления их частотами используется четыре модулятора. Однако обычные модуляторы часто создают побочные эффекты, такие как нежелательные эхо.

Созданный учеными однополосный модулятор с подавлением несущей снизил побочные эффекты на 47,8 децибела, что эквивалентно уменьшению их интенсивности в 100 000 раз. Это значительное достижение по сравнению с существующими аналогами.

Доступные квантовые технологии

Кроме размера, ключевым препятствием для массового внедрения таких устройств была их стоимость. Каждому атомному интерферометру требуется лазерная система, а для неё необходимы модуляторы, стоимость которых в среднем составляет более 10 000 долларов за штуку.

Интеграция громоздких компонентов в кремниевые фотонные чипы позволяет значительно снизить затраты. На одной пластине диаметром 8 дюймов можно разместить сотни модуляторов, а на 12-дюймовой пластине — ещё больше.

Производство этих устройств основано на тех же технологиях, что используются при создании компьютерных чипов. Благодаря этому удаётся снизить стоимость квантовых систем, сделав их массовыми и доступными.

Перспективы применения

Команда исследователей изучает возможности использования этих технологий не только в навигации. Квантовые датчики способны фиксировать малейшие изменения гравитации, что открывает путь к поиску подземных ресурсов и полостей.

Кроме того, изобретённые оптические компоненты, включая модуляторы, находят применение в лидарах, квантовых вычислениях и оптической связи.

Таким образом, усилия учёных по миниатюризации и удешевлению таких устройств открывают огромные перспективы для их внедрения в различных сферах.

От идеи к реальности

Глобальная цель исследовательской команды — создание компактного квантового компаса, который объединяет фундаментальные научные разработки с коммерческими решениями. Атомная интерферометрия уже доказала свою эффективность, и теперь технологии, основанные на этом методе, готовы стать основой для навигации нового поколения.

#Технологии #КвантоваяМеханика #Навигация #Будущее

Атомы, которые хранят информацию в квантовых компьютерах, иногда бесследно исчезают. Учёные предложили новый способ обнаружения утечек.

Кубиты — это атомы, выполняющие роль носителей данных в квантовых вычислениях. Однако они иногда могут внезапно исчезать, что приводит к искажению информации и сбоям в вычислениях. Это явление известно как потеря атомов.

Исследователи впервые продемонстрировали методику выявления таких утечек для квантовых платформ, работающих с нейтральными атомами. Этот прорыв позволяет решить одну из ключевых проблем в квантовой сфере и приблизить учёных к раскрытию полного потенциала технологии. Многие считают, что квантовые компьютеры смогут дать ответы на вопросы, которые недоступны современным технологиям.

Новая методика позволяет обнаружить потерю атома без нарушения его квантового состояния. По словам исследователей, их подход, основанный на специализированных алгоритмах, обеспечивает точность 93,4%. Этот метод помогает фиксировать ошибки и вносить необходимые исправления.

Решение надвигающейся проблемы

Атомы — это крошечные частицы, которые в некоторых квантовых компьютерах удерживаются при температуре, близкой к абсолютному нулю (-460 ℉). Даже минимальное повышение температуры может привести к их «побегу». Даже при идеальных условиях атомы иногда исчезают спонтанно.

Если это происходит в процессе вычислений, результат становится бесполезным. Новый метод позволяет учёным оценить надёжность полученных данных и, при необходимости, скорректировать ошибки.

На небольших квантовых машинах с малым количеством кубитов эта проблема менее критична. Но для масштабных квантовых компьютеров, которые потребуют миллионы кубитов, ситуация осложняется: риск утечки атомов становится слишком велик. Без решения этой проблемы прогресс в квантовых вычислениях может замедлиться.

Исследователи уже изучили различные подходы к обнаружению потерь атомов на разных платформах, включая системы с электрически заряженными атомами (ионные кубиты). Однако команда впервые смогла обнаружить утечки в нейтральных атомах, не нарушая их состояния. Эти простые, но эффективные методы помогут избежать кризиса в будущем.

Как это работает

Основная сложность заключается в том, что учёные не могут напрямую наблюдать за атомами, чтобы сохранить их состояние во время вычислений. Квантовые системы чрезвычайно чувствительны: любое вмешательство может разрушить работу всей системы.

Эта проблема напоминает известный мысленный эксперимент австрийского физика Эрвина Шрёдингера: кошка в закрытой коробке может быть одновременно живой и мёртвой, пока её состояние не проверят. Аналогично, в квантовых компьютерах наблюдение за состоянием кубита может изменить это состояние.

Исследователи нашли способ обойти эту проблему. Они предложили аналогию с весами: если кошка в коробке, вес коробки изменится. Таким образом, можно определить наличие атома косвенно, не нарушая его квантовое состояние.

Неожиданное открытие

Прорыв начался с того, что аспирант отлаживал код для своей диссертации. Он изучал взаимодействие атомов — уникальный квантовый процесс, который связывает их состояния. Путём многократного тестирования он заметил закономерность: в экспериментах, где атомы распутывались, результаты с одним атомом отличались от случаев с двумя атомами. Это стало тонким сигналом, указывающим на наличие соседнего атома.

Эта находка настолько вдохновила аспиранта, что он поделился идеей с профессором. Вместе они разработали набор алгоритмов для обнаружения утечек. Метод включает использование дополнительного атома, который не участвует в вычислениях, для косвенного определения потерь.

Результаты подтвердили, что подход работает. Исследователи смогли определить, находится ли атом в состоянии «0», «1» или исчез. При этом они убедились, что методика не нарушает состояние других атомов.

Новый шаг для квантовой коррекции

Эта работа станет основой для других учёных, которые захотят применять эти методы в своих системах. Это открытие стимулирует дальнейшие исследования преимуществ и ограничений методики.

Исследователь аспирант, который уже получил докторскую степень, сказал, что гордится этим открытием, поскольку оно показывает, что проблема потери атомов разрешима, даже если будущие квантовые компьютеры не будут использовать этот метод.

#КвантовыеВычисления #Кубиты #Наука #Технологии