Forskere gør kvanteteknologien mindre

En måde at formindske de enheder, der bruges i kvantesensorsystemer, er blevet udviklet af forskere ved UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing, som ledes af University of Birmingham.

Sensorenheder har et stort antal industrielle anvendelser, fra at udføre jordundersøgelser til overvågning af vulkaner. Forskere, der arbejder på måder at forbedre mulighederne for disse sensorer, bruger nu kvanteteknologier, baseret på kolde atomer, at forbedre deres følsomhed.

Maskiner udviklet i laboratorier ved hjælp af kvanteteknologi, imidlertid, er besværlige og svære at transportere, gør nuværende design uegnet til de fleste industrielle anvendelser.

Holdet af forskere har brugt en ny tilgang, der vil gøre det muligt for kvantesensorer at krympe til en brøkdel af deres nuværende størrelse. Forskningen blev udført af et internationalt hold ledet af University of Birmingham og SUSTech i Kina i samarbejde med Paderborn University i Tyskland. Deres resultater offentliggøres i Videnskab fremskridt .

Den kvanteteknologi, der i øjeblikket bruges i sanseapparater, fungerer ved at fint kontrollere laserstråler for at konstruere og manipulere atomer ved superkolde temperaturer. For at styre dette, atomerne skal være indeholdt i et vakuumforseglet kammer, hvor de kan afkøles til de ønskede temperaturer.

En vigtig udfordring i at miniaturisere instrumenterne er at reducere den plads, der kræves af laserstrålerne, som typisk skal arrangeres i tre par, indstillet i vinkler. Laserne afkøler atomerne ved at affyre fotoner mod det bevægelige atom, sænker dets momentum og køler det derfor ned.

De nye resultater viser, hvordan en ny teknik kan bruges til at reducere den nødvendige plads til laserleveringssystemet. Metoden bruger enheder kaldet optiske metasurfaces - fremstillede strukturer, der kan bruges til at styre lys.

En optisk metasurface-chip kan designes til at diffraktere en enkelt stråle til fem separate, velafbalancerede og ensartede stråler, der bruges til at superkøle atomerne. Denne enkelt chip kan erstatte de komplekse optiske enheder, der i øjeblikket udgør kølesystemet.

Metasurface fotoniske enheder har inspireret en række nye forskningsaktiviteter i de sidste par år, og det er første gang, forskere har været i stand til at demonstrere dets potentiale i kolde atom kvanteenheder.

Dr. Yu-Hung Lien, hovedforfatter af undersøgelsen, siger:"Missionen for UK Quantum Technology Hub er at levere teknologier, der kan vedtages og bruges af industrien. Design af enheder, der er små nok til at være bærbare, eller som kan passe ind i industrielle processer og praksisser, er afgørende. Denne nye tilgang repræsenterer en et vigtigt skridt fremad i denne tilgang."

Det er lykkedes for teamet at producere en optisk chip, der kun måler 0,5 mm på tværs, resulterer i en platform for fremtidige sensorenheder, der måler omkring 30 cm i terninger. Det næste trin vil være at optimere størrelsen og ydeevnen af ​​platformen for at producere den maksimale følsomhed for hver applikation.