|
Квантовая запутанность сделает датчики темной материи точнее
|
|
|
|
«Жуткое действие на расстоянии», которое когда-то нервировало Эйнштейна, может стать таким же обыденным, как гироскопы, которые в настоящее время измеряют ускорение в смартфонах. Согласно новому исследованию в Nature Photonics, квантовая запутанность значительно повышает точность датчиков, которые можно использовать для навигации без GPS. «Используя запутанность, мы улучшаем как чувствительность измерений, так и скорость их проведения», — сказал Жешэн Чжан, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Мичиганского университета и соавтор исследования. Эксперименты проводились в Аризонском университете, где в то время работал Чжан.
|
|
|
|
Оптомеханические датчики измеряют силы, воздействующие на механическое сенсорное устройство, которое движется в ответ. Затем это движение измеряется световыми волнами. В этом эксперименте датчиками были мембраны, которые действуют как барабанные пластины, которые вибрируют после толчка. Оптомеханические датчики могут функционировать как акселерометры, которые можно использовать для инерциальной навигации на планете, на которой нет спутников GPS, или внутри здания, когда человек перемещается по разным этажам.
|
|
|
Квантовая запутанность может сделать оптомеханические датчики более точными, чем используемые в настоящее время инерционные датчики. Это также может позволить оптико-механическим датчикам искать очень тонкие силы, например, определять присутствие темной материи. Темная материя — это невидимая материя, которая, как считается, составляет в пять раз больше массы во Вселенной, чем то, что мы можем ощущать с помощью света. Он будет тянуть датчик под действием гравитационной силы.
|
|
|
|
Вот как запутанность улучшает оптомеханические датчики: Оптомеханические датчики основаны на двух синхронизированных лазерных лучах. Один из них отражается от сенсора, и любое движение в сенсоре меняет расстояние, которое проходит свет на пути к детектору. Эта разница в пройденном расстоянии проявляется, когда вторая волна накладывается на первую. Если датчик неподвижен, две волны идеально выровнены. Но если датчик движется, они создают интерференционную картину, поскольку пики и впадины их волн местами компенсируют друг друга. Этот образец показывает размер и скорость вибраций в датчике. Обычно в интерферометрических системах чем дальше распространяется свет, тем точнее становится система. Самая чувствительная интерферометрическая система на планете, Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, посылает свет на 8-километровые расстояния. Но это не влезет в смартфон.
|
|
|
|
Чтобы обеспечить высокую точность миниатюрных оптомеханических датчиков, команда Чжана исследовала квантовую запутанность. Вместо того, чтобы разделить свет один раз, чтобы он отражался от датчика и зеркала, они разделили каждый луч во второй раз, чтобы свет отражался от двух датчиков и двух зеркал. Далзил Уилсон, доцент кафедры оптики в Аризонском университете, вместе со своими докторантами Аманом Агравалем и Кристианом Плучаром построили мембранные устройства. Эти мембраны толщиной всего 100 нанометров — или 0,0001 миллиметра — двигаются в ответ на очень небольшие силы.
|
|
|
|
Удвоение датчиков повышает точность, так как мембраны должны вибрировать синхронно друг с другом, но запутанность добавляет дополнительный уровень координации. Группа Чжана создала запутанность, «сжимая» лазерный луч. В квантово-механических объектах, таких как фотоны, из которых состоит свет, существует фундаментальный предел того, насколько точно могут быть известны положение и импульс частицы. Поскольку фотоны также являются волнами, это выражается в фазе волны (где она находится в своих колебаниях) и ее амплитуде (сколько энергии она несет).
|
|
|
|
«Сжатие перераспределяет неопределенность, так что сжатый компонент известен более точно, а антисжатый компонент несет большую неопределенность. Мы сжали фазу, потому что это то, что нам нужно было знать для нашего измерения», — сказал И Ся, недавний доктор философии выпускник лаборатории Чжана в Аризонском университете и соавтор статьи. В сжатом свете фотоны более тесно связаны друг с другом. Чжан сравнил то, что происходит, когда фотоны проходят через светоделитель, когда автомобили приближаются к развилке автострады. «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 запутались с машинами справа», — сказал он.
|
|
|
|
Поскольку флуктуации в двух запутанных лучах связаны, погрешности в их фазовых измерениях коррелируют. В результате, применив некоторое математическое волшебство, команда смогла получить измерения, которые на 40 % точнее, чем с двумя неспутанными лучами, и сделать это на 60 % быстрее. Более того, ожидается, что точность и скорость возрастут пропорционально количеству датчиков. «Предполагается, что массив датчиков с улучшенной запутанностью обеспечит прирост производительности на порядки по сравнению с существующей технологией обнаружения, чтобы обеспечить обнаружение частиц за пределами существующей физической модели, открывая дверь в новый мир, который еще предстоит наблюдать", - сказал Чжан. Следующие шаги команды заключаются в миниатюризации системы. Уже сейчас они могут поместить источник сжатого света на чип, который всего в полсантиметра сбоку. Они рассчитывают получить прототип чипа с источником сжатого света, светоделителями, волноводами и инерционными датчиками в течение года или двух.
|
|
|
|
Источник
|
