I ett betydande framsteg för kvantsensorteknologi har forskare vid University of Colorado Boulder lyckats skapa en apparat som kan mäta acceleration i tre dimensioner samtidigt med hjälp av ultrakalla atomer – något många forskare tidigare ansåg vara omöjligt.
Forskargruppen, ledd av doktorand Kendall Mehling, postdoktor Catie LeDesma och JILA-professor Murray Holland, publicerade sina resultat denna månad i tidskriften Science Advances. Deras arbete markerar ett stort steg framåt för kvantnavigeringsteknologin.
Apparaten fungerar genom att kyla rubidiumatomer till temperaturer bara miljarddelar av en grad över absoluta nollpunkten, vilket skapar ett kvanttillstånd kallat Bose-Einstein-kondensat. I detta tillstånd bildar atomerna koherenta materievågor som kan manipuleras med extrem precision. Med hjälp av sex lasrar, tunna som ett hårstrå, låser teamet fast atomerna och delar dem sedan i kvantsuperpositioner där varje atom existerar på två platser samtidigt.
Artificiell intelligens spelar en avgörande roll i systemets funktion. Forskarna använde maskininlärningsalgoritmer för att hantera den komplexa processen att justera lasrarna för att manipulera atomerna. "AI:n planerar sekvensen av laserjusteringar som krävs, vilket effektiviserar en annars omöjligt komplicerad trial-and-error-process," förklarade professor Holland.
Medan dagens GPS och elektroniska accelerometrar dominerar navigationssystem, lider de av mekaniskt slitage och miljömässiga sårbarheter över tid. Atomer, däremot, åldras eller försämras inte, vilket ger långsiktig stabilitet och robusthet. Denna kvantapparat kan i framtiden möjliggöra navigation i miljöer där GPS-signaler saknas, såsom under vatten, under jord eller i rymden.
Teknologin har väckt stort intresse, och NASA tilldelade teamet ett anslag på 5,5 miljoner dollar 2023 via sitt Quantum Pathways Institute för att fortsätta utveckla sensorn. Utöver navigation kan apparaten revolutionera geologiska undersökningar, tester av grundläggande fysik och styrsystem för autonoma fordon. Även om den för närvarande är bänkstor och mindre känslig än kommersiella teknologier, är forskarna optimistiska om att förbättra dess prestanda och minska storleken under de kommande åren.