Devrim niteliğindeki Kuantum Pusulası yakında GPS’siz navigasyonu gerçeğe dönüştürebilir. Şimdi, bilim insanları, küresel konumlandırma uydularına olan bağımlılığı en aza indirebilecek kadar hassas bir hareket sensörü yapmaya çalışıyorlar. Yakın zamana kadar, böyle bir sensör -günümüz navigasyon sınıfı cihazlarından bin kat daha hassas- hareket eden bir kamyon kasasına sığacak büyüklükte olurdu. Ancak gelişmeler, bu teknolojinin boyutunu ve maliyetini önemli ölçüde küçültüyor.
Bir akıllı telefonu ya da fitness takip cihazını açarsanız, içinde konumu ve hareketi izleyen küçük bir hareket sensörü bulacaksınız. Aynı teknolojinin daha büyük, daha pahalı versiyonları, bir greyfurt büyüklüğünde ve bin kat daha doğru çalışıyor ve gemileri, uçakları ve diğer araçları GPS yardımıyla yönlendirmeye yardımcı oluyor.
Kuantum algılamada GPS’siz, son derece doğru bir navigasyon için çalışmalar sürüyor. ABD’dekiSandia Ulusal Laboratuvarları‘ndan araştırmacılar, ivmeyi ölçmenin ultra hassas bir yolu olan atom interferometrisi adı verilen bir kuantum algılama tekniğini gerçekleştirmek için silikon fotonik mikroçip bileşenlerini kullandılar. Bu, GPS sinyalleri mevcut olmadığında navigasyon için bir tür kuantum pusulası geliştirmeye yönelik önemli bir adım.
Ekip bulgularını yayımladı ve ışığı bir mikroçip üzerinde kontrol eden bir cihaz olan yeni bir yüksek performanslı silikon fotonik modülatörü, Science Advances dergisinin kapak hikayesi olarak tanıttı.
Araştırma, Sandia’nın Laboratuvar Yönetimli Araştırma ve Geliştirme programı tarafından destekleniyor. Kısmen, ulusal güvenlik sektöründeki karmaşık problemler için entegre fotonik çözümler geliştiren bir araştırma merkezi olan Ulusal Güvenlik Fotonik Merkezi’nde gerçekleşti.
Sandia bilim insanı Jongmin Lee şöyle açıklıyor;
“GPS sinyallerinin mevcut olmadığı zaman navigasyon zorlaşıyor. Savaş bölgelerinde bu tür zorluklar ulusal güvenlik riskleri doğurur; çünkü elektronik harp birimleri, birliklerin hareketlerini ve operasyonlarını aksatmak için uydu sinyallerini karıştırabilir veya yanıltabilir. Kuantum algılama bir çözüm sunuyor.
Kuantum mekaniğinin prensiplerinden yararlanan bu gelişmiş sensörler, ivme ve açısal hızı ölçmede benzersiz bir doğruluk sağlıyor ve GPS’in yasak olduğu alanlarda bile hassas navigasyona olanak tanıyor”
Sistem Nasıl Çalışıyor?
Normalde, bir atom interferometresi küçük bir oda boyutunda bir sensör sistemi. Tam bir kuantum pusulası — daha kesin olarak kuantum eylemsiz ölçüm birimi olarak adlandırılır — altı atom interferometresi gerektiriyor. Ancak Lee ve ekibi, boyutunu, ağırlığını ve güç gereksinimlerini azaltmanın yollarını bulmuş.
Zaten büyük bir vakum pompası yerine avokado büyüklüğünde bir vakum odası oluşturup, optik bir platform üzerinde hassas bir şekilde düzenlenmiş birkaç bileşeni tek, katı bir aparatta birleştirdiler.
Yeni modülatör, bir mikroçip üzerindeki lazer sisteminin merkez parçası. Ağır titreşimleri kaldırabilecek kadar sağlam ve tipik olarak bir buzdolabı büyüklüğünde olan geleneksel bir lazer sisteminin yerini alacak. Lazerler bir atom interferometresinde birden fazla işi gerçekleştirir ve Sandia ekibi, farklı işlevleri yerine getirmek için tek bir lazerin frekansını değiştirmek amacıyla dört modülatör kullanıyor. Ancak modülatörler genellikle hafifletilmesi gereken yan bant adı verilen istenmeyen yankılar yaratırlar.
Sandia’nın bastırılmış taşıyıcılı, tek yan bantlı modülatörü bu yan bantları benzeri görülmemiş bir şekilde 47,8 desibel azaltıyor. Bu ölçü genellikle ses yoğunluğunu tanımlamak için kullanılır ancak ışık yoğunluğu için de geçerlidir. Bu da yaklaşık 100.000 katlık bir düşüşe neden olur.
Boyutun yanı sıra, kuantum navigasyon cihazlarının yayılmasının önündeki bir engel de maliyet. Her atom interferometresinin bir lazer sistemine ihtiyacı vardır ve lazer sistemlerinin modülatörlere ihtiyacı vardır. Tam boyutlu tek yan bantlı modülatörün tek bir tanesinin fiyatı 10.000 dolardan fazladır.
Hantal ve pahalı bileşenlerin silikon fotonik çiplere dönüştürülmesi bu maliyetlerin düşürülmesine yardımcı oluyor. Ekip şöyle diyor :
“Tek bir 8 inçlik wafer üzerinde yüzlerce modülatör, hatta 12 inçlik bir wafer üzerinde daha da fazlasını yapabiliriz. Ve bunlar neredeyse tüm bilgisayar çiplerinde kullanılan aynı işlem kullanılarak üretilebildiği için, ek özellikler de içeren bu gelişmiş dört kanallı bileşen, günümüzün ticari alternatiflerine kıyasla çok daha düşük bir maliyetle seri üretilebilir ve bu da kuantum eylemsiz ölçüm birimlerinin daha düşük bir maliyetle üretilmesini sağlar”
Başka Ne Yapılabilir
Teknoloji sahaya yayılmaya yaklaştıkça, ekip navigasyonun ötesinde başka kullanımları da araştırıyor. Araştırmacılar, Dünya’nın yerçekimi kuvvetine yaptıkları ufak değişiklikleri tespit ederek yeraltı boşluklarını ve kaynaklarını tespit etmeye yardımcı olup olamayacağını araştırıyor. Ayrıca, modülatör de dahil olmak üzere icat ettikleri optik bileşenlerin LIDAR, kuantum hesaplama ve optik iletişimlerde potansiyeli olduğunu görüyorlar.
Kuantum pusulası konseptini gerçeğe dönüştüren disiplinlerarası ekip
Lee ve Kodigala, çok disiplinli bir ekibin iki parçasını temsil ediyor. Lee’nin de dahil olduğu bir yarı, kuantum mekaniği ve atom fiziği uzmanlarından oluşuyor. Diğer yarı, Kodigala gibi, silikon fotonik konusunda uzman — bir mikroçipi düşünün, ancak devrelerinden elektrik geçmesi yerine ışık ışınları geçiyor.
Bu ekipler, araştırmacıların ulusal güvenlik uygulamaları için çipler tasarladığı, ürettiği ve test ettiği Sandia Mikrosistem Mühendisliği, Bilim ve Uygulamalar kompleksinde iş birliği yapıyor.
Ekibin büyük planı — atom interferometrelerini kompakt bir kuantum pusulasına dönüştürmek — akademik kurumlardaki temel araştırmalar ile teknoloji şirketlerindeki ticari geliştirmeler arasındaki boşluğu kapatıyor. Atom interferometresi, GPS’in engellendiği zaman, navigasyon için mükemmel bir araç olabilecek kanıtlanmış bir teknoloji. Sandia’nın devam eden çabaları onu daha kararlı, sahada kullanılabilir ve ticari olarak uygulanabilir hale getirmeyi amaçlıyor.
Kaynak : 