Квантовая запутанность значительно повышает точность датчиков, которые можно использовать для навигации без GPS, согласно новому исследованию в Природная фотоника.

"Используя запутанность, мы повышаем как чувствительность измерений, так и скорость их проведения", - сказал Чжешен Чжан, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Мичиганского университета и соавтор исследования. Эксперименты проводились в Университете Аризоны, где в то время работал Чжан.

Оптомеханические датчики измеряют силы, которые воздействуют на механическое чувствительное устройство, которое перемещается в ответ. Затем это движение измеряется с помощью световых волн. В этом эксперименте датчиками были мембраны, которые действуют как головки барабана, вибрирующие после толчка. Оптико-механические датчики могут функционировать как акселерометры, которые можно использовать для инерциальной навигации на планете, где нет спутников GPS, или внутри здания, когда человек перемещается по разным этажам.

Квантовая запутанность может сделать оптико-механические датчики более точными, чем используемые в настоящее время инерциальные датчики. Это также могло бы позволить оптико-механическим датчикам обнаруживать очень тонкие силы, например, определять присутствие темной материи. Темная материя - это невидимая материя, на долю которой, как полагают, приходится в пять раз больше массы во Вселенной, чем мы можем ощутить при помощи света. Это притягивало бы датчик с помощью гравитационной силы.

Вот как запутывание улучшает работу оптомеханических датчиков:

Оптико-механические датчики основаны на двух синхронизированных лазерных лучах. Один из них отражается от датчика, и любое движение в датчике изменяет расстояние, которое проходит свет на своем пути к детектору. Эта разница в пройденном расстоянии проявляется, когда вторая волна накладывается на первую. Если датчик неподвижен, то две волны идеально выровнены. Но если датчик движется, они создают интерференционную картину, поскольку пики и впадины их волн местами компенсируют друг друга. Этот шаблон показывает размер и скорость вибраций в датчике.

Обычно в системах интерферометрии, чем дальше распространяется свет, тем точнее становится система. Самая чувствительная интерферометрическая система на планете, гравитационно-волновая обсерватория Laser Interferometer, посылает свет на расстояние 8 километров. Но это не поместится в смартфоне.

Чтобы обеспечить высокую точность миниатюрных оптико-механических датчиков, команда Чжана исследовала квантовую запутанность. Вместо того, чтобы разделить свет один раз так, чтобы он отражался от датчика и зеркала, они разделили каждый луч во второй раз так, чтобы свет отражался от двух датчиков и двух зеркал. Дэлзиел Уилсон, доцент кафедры оптических наук Аризонского университета, вместе со своими докторантами Аманом Агравалом и Кристианом Плучаром сконструировали мембранные устройства. Эти мембраны толщиной всего 100 нанометров, или 0,0001 миллиметра, движутся в ответ на очень малые усилия.

Удвоение датчиков повышает точность, так как мембраны должны вибрировать синхронно друг с другом, но переплетение добавляет дополнительный уровень координации. Группа Чжана создала запутанность, "сжимая" лазерный луч. В квантовомеханических объектах, таких как фотоны, из которых состоит свет, существует фундаментальный предел того, насколько хорошо могут быть известны положение и импульс частицы. Поскольку фотоны также являются волнами, это приводит к фазе волны (где она находится в своем колебании) и ее амплитуде (сколько энергии она несет).

"Сжатие перераспределяет неопределенность, так что сжатый компонент известен более точно, а антижатый компонент несет в себе большую неопределенность. Мы сократили фазу, потому что это то, что нам нужно было знать для наших измерений", - сказал И Ся, недавний аспирант лаборатории Чжана в Университете Аризоны и соавтор статьи.

В сжатом свете фотоны более тесно связаны друг с другом. Чжан сравнил то, что происходит, когда фотоны проходят через светоделитель, с автомобилями, подъезжающими к развилке на автостраде.

"У вас есть три машины, которые едут в одну сторону, и три машины, которые едут в другую сторону. Но в квантовой суперпозиции каждая машина движется в обе стороны. Теперь машины слева сцепились с машинами справа", - сказал он.

Поскольку флуктуации в двух запутанных пучках связаны, неопределенности в их измерениях фазы коррелируют. В результате, с помощью некоторых математических ухищрений, команда смогла получить измерения, которые на 40% точнее, чем при использовании двух непересекающихся лучей, и они могут делать это на 60% быстрее. Более того, ожидается, что точность и скорость будут возрастать пропорционально количеству датчиков.

"Предполагается, что набор датчиков с улучшенной запутанностью обеспечит увеличение производительности на порядки по сравнению с существующими технологиями зондирования, что позволит обнаруживать частицы за пределами существующей физической модели, открывая дверь в новый мир, который еще предстоит наблюдать", - сказал Чжан.

Следующие шаги команды заключаются в миниатюризации системы. Они уже могут разместить источник сжатого света на чипе со стороной всего в полсантиметра. Они рассчитывают получить прототип чипа с источником сжатого света, разделителями луча, волноводами и инерциальными датчиками в течение года или двух.

Исследование финансировалось Управлением военно-морских исследований, Национальным научным фондом, Министерством энергетики и Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны.