مستشعرات الكم عالية التقنية: التنقل عندما يصبح نظام GPS مظلمًا
يمكن لأجهزة الاستشعار الكمومية عالية التقنية توجيه المركبات التي لا تحتوي على أقمار صناعية، إذا كان بإمكانها التعامل مع الركوب.
عند الحديث عن أجهزة الاستشعار الكمومية بالقصور الذاتي، فمن غير المرجح أن يتم نطق كلمات مثل “قاسي” أو “متين”. يمكن لهذه الأدوات العلمية الرائعة قياس الحركة بدقة أكبر ألف مرة من الأجهزة التي تساعد في التنقل في صواريخ اليوم والطائرات بدون طيار والطائرات. ومع ذلك، فإن مجموعة مكوناتها الدقيقة بحجم الجدول والتي تشتمل على نظام ليزر معقد ونظام فراغ قد أبقت بشكل أساسي التقنية على الأرض وحصرت في الإعدادات الخاضعة للرقابة في المختبر.
Jongmin Lee يريد تغيير ذلك.
عالم الفيزياء الذرية هو جزء من فريق في سانديا يتصور المستشعرات الكمومية بالقصور الذاتي كمساعدات ملاحية ثورية على متن الطائرة. يعمل الفريق على إعادة هندسة المستشعر ليصبح جهازًا قويًا ومضغوطًا، حيث يمكن للتكنولوجيا أن توجه المركبات بأمان عند تشويش إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو فقدها.
في معلم رئيسي نحو تحقيق رؤيتهم، نجح الفريق في بناء مقياس تداخل ذرة بباردة. هذا مكون أساسي من أجهزة الاستشعار الكمومية، وقد تم تصميم نسختها لتكون أصغر بكثير وأكثر صرامة من الأجهزة المعملية النموذجية. يصف الفريق النموذج الأولي الخاص بهم في ورقة نُشرت مؤخرًا في المجلة الأكاديمية Nature Communications ، والتي توضح كيفية دمج العديد من المكونات المنفصلة بشكل طبيعي في بنية واحدة متجانسة. من خلال القيام بذلك، موا بتقليل المكونات الرئيسية للنظام الموجود على طاولة بصرية كبيرة وصولاً إلى حزمة متينة بحجم صندوق الأحذية تقريبًا.
قوي كفاية؟ – عالِم الفيزياء الذرية في سانديا ، جونغمين لي، يفحص رأس المستشعر لمقياس تداخل ذرة باردة يمكن أن يساعد المركبات على البقاء في مسارها حيث لا يتوفر نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). الائتمان: تصوير بريت لاتر
قال جونجمين: “لقد تم إثبات حساسية عالية جدًا في المختبر، ولكن الأمور العملية، بالنسبة للتطبيق الواقعي، يحتاج الأشخاص إلى تقليص الحجم والوزن والقوة، ثم التغلب على المشكلات المختلفة في بيئة ديناميكية”..
تصف الورقة أيضًا خارطة طريق لمزيد من تصغير النظام باستخدام تقنيات قيد التطوير.
يُظهر النموذج الأولي، الذي يموله برنامج Sandia’s Laboratory Directed Research and Development ، خطوات كبيرة نحو نقل تكنولوجيا الملاحة المتقدمة من المختبر إلى المركبات على الأرض، وتحت الأرض، وفي الهواء، وحتى في الفضاء.
نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) عبارة عن مجموعة من الأقمار الصناعية التي تدور حول العالم والتي توفر بيانات الموقع والملاحة والتوقيت للمستخدمين العسكريين والمدنيين في جميع أنحاء العالم. تدور أقمار GPS الصناعية حول الأرض كل 12 ساعة، وتنقل باستمرار إشارات الملاحة. باستخدام المعدات المناسبة، يمكن للمستخدمين استقبال أربع إشارات أقمار صناعية على الأقل لحساب الوقت والموقع والسرعة. الإشارات دقيقة للغاية بحيث يمكن تحديد الوقت في غضون جزء من المليون من الثانية، والسرعة في غضون جزء من ميل في الساعة، والموقع في نطاق 100 قدم.
القياسات فائقة الحساسية تقود القوة الملاحية
بينما تقوم طائرة نفاثة بتدحرج برميل في السماء، يمكن لتقنية الملاحة الحالية على متن الطائرة قياس إمالة الطائرة والانعطافات والتسارع لحساب موقعها بدون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، لبعض الوقت. قال جونغمين إن أخطاء القياس الصغيرة تدفع السيارة عن مسارها تدريجيًا ما لم تتزامن بشكل دوري مع الأقمار الصناعية.
سيعمل الاستشعار الكمي بالطريقة نفسها، لكن الدقة الأفضل تعني أن الملاحة على متن الطائرة لن تحتاج إلى مراجعة حساباتها بشكل متكرر، مما يقلل الاعتماد على أنظمة الأقمار الصناعية.
قال روجر دينغ ، باحث ما بعد الدكتوراه الذي عمل في المشروع، “من حيث المبدأ، لا توجد اختلافات في التصنيع ومعايرة” مقارنة بأجهزة الاستشعار التقليدية التي يمكن أن تتغير بمرور الوقت وتحتاج إلى إعادة معايرتها.
قال آرون إيسون ، المهندس الرئيسي في المشروع، إنه لإعداد مقياس التداخل الذري لبيئة ديناميكية، استخدم هو وفريقه مواد مثبتة في البيئات القاسية. بالإضافة إلى ذلك، تم دمج الأجزاء المنفصلة والقائمة بذاتها معًا وتثبيتها في مكانها أو تم إنشاؤها باستخدام آليات قفل يدوية.
قال آرون: “كان الهيكل الأحادي الذي يحتوي على أقل عدد ممكن من الواجهات المُثبتة بمسامير، عاملاً أساسيًا في إنشاء بنية أكثر صلابة لمقاييس التداخل الذري”.
علاوة على ذلك، استخدم الفريق حسابات قياسية في الصناعة تسمى تحليل العناصر المحدودة للتنبؤ بأن أي تشوه للنظام في البيئات التقليدية سيقع ضمن المخصصات المطلوبة. لم تُجر سانديا اختبارات إجهاد ميكانيكية أو اختبارات ميدانية على التصميم الجديد، لذلك هناك حاجة إلى مزيد من البحث لقياس قوة الجهاز.
قال آرون: “إن التصميم الصغير والمدمج بشكل عام يقود بشكل طبيعي نحو هيكل أكثر صلابة وأكثر قوة”.
تضيء الضوئيات الطريق إلى نظام أكثر تصغيرًا
قال روجر إن معظم تجارب قياس التداخل الذري الحديثة تستخدم نظامًا من الليزر مركبًا على طاولة بصرية كبيرة لأسباب تتعلق بالاستقرار. جهاز سانديا مضغوط نسبيًا، لكن الفريق توصل بالفعل إلى مزيد من التحسينات في التصميم لجعل أجهزة الاستشعار الكمومية أصغر بكثير باستخدام تقنيات ضوئية متكاملة.
قال بيتر شويندت ، الباحث الرئيسي في المشروع والخبير في الاستشعار الكمي: “هناك عشرات إلى مئات العناصر التي يمكن وضعها على شريحة أصغر من بنس واحد”.
تستخدم الأجهزة الضوئية، مثل الليزر أو الألياف الضوئية، الضوء لأداء عمل مفيد وتتضمن الأجهزة المتكاملة العديد من العناصر المختلفة. تُستخدم الضوئيات على نطاق واسع في الاتصالات السلكية واللاسلكية، والبحث المستمر يجعلها أصغر حجمًا وأكثر تنوعًا.
مع مزيد من التحسينات، يعتقد بيتر أن المساحة التي يحتاجها مقياس التداخل يمكن أن تكون قليلة مثل بضع لترات. حلمه أن يصنع واحدة بحجم علبة الصودا.
في ورقتهم البحثية، يحدد فريق Sandia تصميمًا مستقبليًا يتم فيه استبدال معظم إعداد الليزر الخاص بهم بدائرة متكاملة ضوئية واحدة، حوالي ثماني مليمترات على كل جانب. لن يؤدي دمج المكونات الضوئية في دائرة إلى جعل مقياس التداخل الذري أصغر حجمًا فحسب، بل سيجعله أيضًا أكثر صلابة من خلال تثبيت المكونات في مكانها.
بينما لا يستطيع الفريق القيام بذلك حتى الآن، فإن العديد من التقنيات الضوئية التي يحتاجونها قيد التطوير حاليًا في سانديا.
قال روجر: “هذا طريق قابل للتطبيق لأنظمة شديدة الصغر”.
وفي الوقت نفسه، قال جونغمين إن الدوائر الضوئية المتكاملة من المرجح أن تخفض التكاليف وتحسن قابلية التوسع للتصنيع في المستقبل.
قال جونجمين: “لقد أظهرت سانديا رؤية طموحة لمستقبل الاستشعار الكمي في الملاحة”.
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
