Это устройство, новый тип атомного "интерферометра", однажды может помочь людям более точно ориентироваться на подводных лодках, космических кораблях, автомобилях и других транспортных средствах.

"Традиционные атомные интерферометры могут измерять ускорение только в одном измерении, но мы живем в трехмерном мире", - сказал Кендалл Мелинг, соавтор нового исследования и аспирант физического факультета Калифорнийского университета в Боулдере. "Чтобы знать, куда я направляюсь, и знать, где я был, мне нужно отслеживать свое ускорение во всех трех измерениях".

Исследователи опубликовали свою статью под названием "Векторная атомная акселерометрия в оптической решетке" в этом месяце в журнале Science Advances. В состав команды входили Мелинг, Кэти Ледесма, исследователь-постдоктор в области физики, и Мюррей Холланд, профессор физики и научный сотрудник JILA, совместного исследовательского института Калифорнийского университета в Боулдере и Национального института стандартов и технологий (NIST).

В 2023 году НАСА выделило исследователям CU Boulder грант в размере 5,5 миллионов долларов через Институт квантовых путей агентства для продолжения разработки сенсорной технологии.

Новое устройство является чудом инженерной мысли: Холланд и его коллеги используют шесть лазеров толщиной с человеческий волос, чтобы закрепить облако из десятков тысяч атомов рубидия на месте. Затем, с помощью искусственного интеллекта, они манипулируют этими лазерами по сложным схемам, что позволяет команде измерить поведение атомов, когда они реагируют на небольшие ускорения, например, на нажатие педали газа в вашем автомобиле.

Сегодня большинство транспортных средств отслеживают ускорение с помощью GPS и традиционных, или "классических", электронных устройств, известных как акселерометры. Квантовому устройству команды предстоит пройти долгий путь, прежде чем оно сможет конкурировать с этими инструментами. Но исследователи видят большие перспективы в навигационной технологии, основанной на атомах.

"Если вы оставите классический датчик в разных условиях на долгие годы, он состарится и разрушится", - сказал Мелинг. - Пружины в ваших часах изменятся и перекосятся. Атомы не стареют."

Отпечатки движения

Интерферометры, в той или иной форме, существуют уже много столетий - и их использовали для всего: от передачи информации по оптическим волокнам до поиска гравитационных волн или ряби в ткани Вселенной.

Общая идея заключается в том, чтобы разделить вещи на части и снова собрать их вместе, подобно тому, как расстегивают молнию, а затем снова застегивают молнию на куртке.

Например, в лазерной интерферометрии ученые сначала излучают лазерный луч, затем разделяют его на два идентичных луча, которые проходят по двум отдельным траекториям. В конце концов, они снова соединяют лучи вместе. Если лазеры испытывали различные эффекты во время своего путешествия, такие как гравитация, действующая по-разному, они могут не идеально сочетаться при рекомбинации. Иными словами, молния может застрять. Исследователи могут проводить измерения, основываясь на том, как два луча, некогда идентичные, теперь интерферируют друг с другом - отсюда и название.

В текущем исследовании команда достигла того же результата, но с атомами вместо света.

Вот как это работает: В настоящее время устройство помещается на скамейке размером примерно со стол для аэрохоккея. Сначала исследователи охлаждают набор атомов рубидия до температуры всего на несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля.

В этом холодном царстве атомы образуют таинственное квантовое состояние материи, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC). Карл Виман, в то время физик из Калифорнийского университета в Боулдере, и Эрик Корнелл из JILA получили Нобелевскую премию в 2001 году за создание первого BEC.

Затем команда использует лазерный луч, чтобы раскачивать атомы, расщепляя их на части. В данном случае это не означает, что группы атомов разделяются. Вместо этого каждый отдельный атом существует в призрачном квантовом состоянии, называемом суперпозицией, в котором он может находиться одновременно в двух местах.

Когда атомы расщепляются и отделяются друг от друга, эти призраки удаляются друг от друга по двум разным путям. (В текущем эксперименте исследователи фактически не перемещали само устройство, а использовали лазеры для воздействия на атомы, вызывая ускорение).

"Наш конденсат Бозе-Эйнштейна - это водоем с материальными волнами, состоящий из атомов, и мы бросаем в него камни, сделанные из маленьких пучков света, посылая рябь как влево, так и вправо", - сказал Холланд. "Как только рябь распространится, мы отразим ее и соберем обратно там, где она мешает".

Когда атомы снова соединяются, они образуют уникальный узор, точно такой же, как два луча лазерного света, соединяющиеся вместе, но более сложный. Результат напоминает отпечаток большого пальца на стекле.

"Мы можем расшифровать этот отпечаток пальца и извлечь ускорение, которое испытывали атомы", - сказал Холланд.

Планирование с помощью компьютеров

Группа потратила почти три года на создание устройства, чтобы достичь этого результата.

"Как бы то ни было, нынешнее экспериментальное устройство невероятно компактно. Несмотря на то, что у нас есть 18 лазерных лучей, проходящих через вакуумную систему, которая содержит наше атомное облако, весь эксперимент достаточно мал, чтобы мы могли однажды развернуть его в полевых условиях", - сказал Ледесма.

Один из секретов этого успеха заключается в технологии искусственного интеллекта, называемой машинным обучением. Холланд объяснил, что расщепление и рекомбинация атомов рубидия требует настройки лазеров с помощью сложного многоступенчатого процесса. Чтобы упростить процесс, группа обучила компьютерную программу, которая может планировать эти действия заранее.

Пока что устройство может измерять только ускорения, в несколько тысяч раз меньшие силы земного притяжения. Доступные в настоящее время технологии могут сделать это намного лучше.

Но группа продолжает совершенствовать свои инженерные разработки и надеется в ближайшие годы многократно увеличить производительность своего квантового устройства. Тем не менее, эта технология является свидетельством того, насколько полезными могут быть атомы.

"Мы не совсем уверены во всех возможных последствиях этого исследования, потому что оно открывает дверь", - сказал Холланд.