تكبير / تتبع التسارع باستخدام موجات المادة لم يتم تنفيذه بعد في شكل محمول.
جيه بوروس / نيست
طور فريق من الباحثين الفرنسيين أول جهاز استشعار بالقصور الذاتي الكمي الهجين ثلاثي الاتجاهات قادر على قياس التسارع دون استخدام إشارات الأقمار الصناعية. في قلب هذا الجهاز الثوري يوجد ما يسمى "قياس تداخل موجة المادة" ، والذي يستخدم ميزتين متميزتين لميكانيكا الكم: ثنائية الموجة والجسيم والتراكب.
في الغيوم
يتكون الجهاز من سحابة من ذرات الروبيديوم التي يتم تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. توضع الذرات في الفراغ وتكون في حالة سقوط حر بفعل الجاذبية.
بمجرد أن تبرد ، يتم إسقاط سلسلة من ثلاث ومضات ليزر على الذرات ، مما يؤدي إلى تكوين موجات مادة في ذرات الروبيديوم. وفقًا لقوانين ميكانيكا الكم ، في درجات حرارة منخفضة للغاية ، لا تتصرف الذرات مثل الجسيمات القياسية. كما أنها تتصرف مثل الموجات التي يمكن أن تتعرض للانحراف والتداخل مثل الضوء.
بعد أن يضرب شعاع الليزر الذرات ، فإنها تخضع أولاً لتغييرات في حالة طاقتها.
"وفقًا لميكانيكا الكم ، يمكنك وصف الذرة [بأنها] في حالة أرضية وحالة مثارة في آنٍ واحد. بمعنى آخر ، امتصت الذرة الضوء وليس لديها ضوء لا يمتص في نفس الوقت. هذا قال فيليب بوييه ، الأستاذ في معهد البصريات ومنسق برنامج الكشف الكمي Quantum Delta NL ، إن الحالة الغريبة تسمى التراكب الكمي.
يمكن وصف ذرة الروبيديوم في هذه الحالة على أنها موجتان من المادة تسير في اتجاهات مختلفة. قال بوير ، مؤلف المقال: "أحدهما هو الحالة التي تتبع فيها الذرة مسارها كما لو أنها لا تتفاعل أبدًا مع الضوء بينما تتبع الموجة الأخرى مسارًا كما لو أنها مدفوعة بالضوء".
نبضة ليزر ثانية ، تُرسل بتتابع سريع ، تعكس الحالتين ، بينما تضمن النبضة الثالثة تداخل المسارات ، مما يسمح بالتداخل. تتكرر هذه العملية ثلاث مرات متتالية ، حيث يتم محاذاة شعاع الليزر على محور اتجاه مختلف في كل مرة.
نظرًا لأن الجهاز يغير الزخم ، هناك تغيير في هامش التداخل. يتم قياس ذلك مقابل مرجع ، في هذه الحالة مرآة عاكسة تعكس شعاع الليزر من مصدر الليزر على ذرات الروبيديوم.
"تخبرك المرآة ، واحدة على كل محور ، بمكان الليزر. نظرًا لأن الذرات تتساقط باستمرار بسبب الجاذبية ، فإن ما نقيسه هو التسارع النسبي بين المرايا والذرات" ، قال بوير.
دقة عالية
لا يتطلب المستشعر الكمي بالقصور الذاتي أي معايرة ، حيث إن مستويات طاقة الذرات وتردد الضوء ونبض الفوتون الذي يقابله معروفة مسبقًا. بالإضافة إلى الوقت الذي يستغرقه حدوث التداخل وتكرار الليزر ، يمكن حساب التسارع باستخدام المعادلات الميكانيكية.
علاوة على ذلك ، عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق ، يمكن مراقبة حركة الذرات بدقة تبلغ سنتيمترًا واحدًا في الثانية بدلاً من 500 متر في الثانية في درجة حرارة الغرفة ، مما يجعل من الممكن اكتشاف التغيرات الصغيرة في السرعة.
ومع ذلك ، فإن المستشعر له عيب: لا يمكنه إجراء القياسات باستمرار. "يستغرق الأمر وقتًا لإجراء قياسات جيدة حقًا. على سبيل المثال ، عند قياس هامش تداخل يمكن أن يستغرق 100 مللي ثانية ، إذا كانت هناك تغييرات في السرعة خلال ذلك الوقت ، فلا توجد طريقة لمعرفة ذلك ، "صرح.
توصل بويير وفريقه إلى طريقة للتغلب على هذه المشكلة من خلال دمج أجهزة الاستشعار الكمومية مع مقاييس التسارع الكلاسيكية. "نحن نستخدم القياس الكمي لتصحيح القياس غير الكامل لمقياس التسارع الكلاسيكي في الموقع. قال المؤلف المشارك بابتيست باتيلير "الناتج هو هذه الإشارة المصححة".
أضاف باتيلير أن المستشعر الجديد ينتج إشارة ثابتة تبلغ دقة 50 ضعفًا مقارنة بمقاييس التسارع التقليدية. هذا هو السبب في أن المستشعر الهجين لا يتطلب تصحيح الاستقطاب عبر الإشارات الخارجية التي توفرها الأقمار الصناعية. لا تتوقع ظهور هذه الأشياء في هاتفك في أي وقت قريب. تتطلب جميع الأجهزة حوالي متر مكعب واحد من المساحة ، ويقدر الباحثون أن التكاليف ستكون في حدود عدة مئات من آلاف الدولارات.
"أكبر ميزة لمثل هذا الحساس والتي يمكن استخدامها في الغواصات والطائرات ...
تكبير / تتبع التسارع باستخدام موجات المادة لم يتم تنفيذه بعد في شكل محمول.
جيه بوروس / نيست
طور فريق من الباحثين الفرنسيين أول جهاز استشعار بالقصور الذاتي الكمي الهجين ثلاثي الاتجاهات قادر على قياس التسارع دون استخدام إشارات الأقمار الصناعية. في قلب هذا الجهاز الثوري يوجد ما يسمى "قياس تداخل موجة المادة" ، والذي يستخدم ميزتين متميزتين لميكانيكا الكم: ثنائية الموجة والجسيم والتراكب.
في الغيوم
يتكون الجهاز من سحابة من ذرات الروبيديوم التي يتم تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. توضع الذرات في الفراغ وتكون في حالة سقوط حر بفعل الجاذبية.
بمجرد أن تبرد ، يتم إسقاط سلسلة من ثلاث ومضات ليزر على الذرات ، مما يؤدي إلى تكوين موجات مادة في ذرات الروبيديوم. وفقًا لقوانين ميكانيكا الكم ، في درجات حرارة منخفضة للغاية ، لا تتصرف الذرات مثل الجسيمات القياسية. كما أنها تتصرف مثل الموجات التي يمكن أن تتعرض للانحراف والتداخل مثل الضوء.
بعد أن يضرب شعاع الليزر الذرات ، فإنها تخضع أولاً لتغييرات في حالة طاقتها.
"وفقًا لميكانيكا الكم ، يمكنك وصف الذرة [بأنها] في حالة أرضية وحالة مثارة في آنٍ واحد. بمعنى آخر ، امتصت الذرة الضوء وليس لديها ضوء لا يمتص في نفس الوقت. هذا قال فيليب بوييه ، الأستاذ في معهد البصريات ومنسق برنامج الكشف الكمي Quantum Delta NL ، إن الحالة الغريبة تسمى التراكب الكمي.
يمكن وصف ذرة الروبيديوم في هذه الحالة على أنها موجتان من المادة تسير في اتجاهات مختلفة. قال بوير ، مؤلف المقال: "أحدهما هو الحالة التي تتبع فيها الذرة مسارها كما لو أنها لا تتفاعل أبدًا مع الضوء بينما تتبع الموجة الأخرى مسارًا كما لو أنها مدفوعة بالضوء".
نبضة ليزر ثانية ، تُرسل بتتابع سريع ، تعكس الحالتين ، بينما تضمن النبضة الثالثة تداخل المسارات ، مما يسمح بالتداخل. تتكرر هذه العملية ثلاث مرات متتالية ، حيث يتم محاذاة شعاع الليزر على محور اتجاه مختلف في كل مرة.
نظرًا لأن الجهاز يغير الزخم ، هناك تغيير في هامش التداخل. يتم قياس ذلك مقابل مرجع ، في هذه الحالة مرآة عاكسة تعكس شعاع الليزر من مصدر الليزر على ذرات الروبيديوم.
"تخبرك المرآة ، واحدة على كل محور ، بمكان الليزر. نظرًا لأن الذرات تتساقط باستمرار بسبب الجاذبية ، فإن ما نقيسه هو التسارع النسبي بين المرايا والذرات" ، قال بوير.
دقة عالية
لا يتطلب المستشعر الكمي بالقصور الذاتي أي معايرة ، حيث إن مستويات طاقة الذرات وتردد الضوء ونبض الفوتون الذي يقابله معروفة مسبقًا. بالإضافة إلى الوقت الذي يستغرقه حدوث التداخل وتكرار الليزر ، يمكن حساب التسارع باستخدام المعادلات الميكانيكية.
علاوة على ذلك ، عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق ، يمكن مراقبة حركة الذرات بدقة تبلغ سنتيمترًا واحدًا في الثانية بدلاً من 500 متر في الثانية في درجة حرارة الغرفة ، مما يجعل من الممكن اكتشاف التغيرات الصغيرة في السرعة.
ومع ذلك ، فإن المستشعر له عيب: لا يمكنه إجراء القياسات باستمرار. "يستغرق الأمر وقتًا لإجراء قياسات جيدة حقًا. على سبيل المثال ، عند قياس هامش تداخل يمكن أن يستغرق 100 مللي ثانية ، إذا كانت هناك تغييرات في السرعة خلال ذلك الوقت ، فلا توجد طريقة لمعرفة ذلك ، "صرح.
توصل بويير وفريقه إلى طريقة للتغلب على هذه المشكلة من خلال دمج أجهزة الاستشعار الكمومية مع مقاييس التسارع الكلاسيكية. "نحن نستخدم القياس الكمي لتصحيح القياس غير الكامل لمقياس التسارع الكلاسيكي في الموقع. قال المؤلف المشارك بابتيست باتيلير "الناتج هو هذه الإشارة المصححة".
أضاف باتيلير أن المستشعر الجديد ينتج إشارة ثابتة تبلغ دقة 50 ضعفًا مقارنة بمقاييس التسارع التقليدية. هذا هو السبب في أن المستشعر الهجين لا يتطلب تصحيح الاستقطاب عبر الإشارات الخارجية التي توفرها الأقمار الصناعية. لا تتوقع ظهور هذه الأشياء في هاتفك في أي وقت قريب. تتطلب جميع الأجهزة حوالي متر مكعب واحد من المساحة ، ويقدر الباحثون أن التكاليف ستكون في حدود عدة مئات من آلاف الدولارات.
"أكبر ميزة لمثل هذا الحساس والتي يمكن استخدامها في الغواصات والطائرات ...
تكبير / تتبع التسارع باستخدام موجات المادة لم يتم تنفيذه بعد في شكل محمول.
جيه بوروس / نيست
