新しい量子テクノロジーにより GPS が不要になります

まとめ

• ロチェスター大学とRITの研究者らは、光の代わりに音の粒子を制御する圧縮フォノンレーザーを開発した。
• 光ピンセットを介した新しい配置により、熱雑音が大幅に低減され、前例のない精度で重力と加速度の測定が可能になります。
• この技術は、現代の海事および航空のニーズに最適な、高精度の非衛星ベースの「量子コンパス」(GPS) への道を開きます。
• この研究は Nature Communications 誌に発表され、量子重力理論をテストするための新しいツールを提供します。

科学界は、通信機器から医療画像処理まで、さまざまな用途で従来のレーザー システムによる光子の制御を利用することに慣れています。

ただし、1 つは 新しい研究が発表されました 科学雑誌で ネイチャーコミュニケーションズ ロチェスター大学とロチェスター工科大学 (RIT) の博士らは、計測学の焦点を光から音に移しました。光物理学教授のニック・ヴァミヴァカス氏率いる研究者らは、ナノスケールで機械振動を絶対的に制御できる「圧縮」フォノンレーザーを発表した。

この成果の大きさを理解するには、フォノンの性質を明らかにする必要があります。光子は電磁放射の基本粒子 (または量子) ですが、フォノンは機械的振動または音の対応する量子です。フォノン レーザー デバイスは、古典的な光学レーザーのビームと同様に、これらの音響振動を集中させてコヒーレントに動作させるように指示します。

スクイーズドフォノンレーザーはどのように機能しますか?

研究チームは光ピンセット技術を使用してデバイスを構築した。しっかりと焦点を絞った光線を通じて、放射圧力は、超高真空チャンバー内でナノ粒子を捕らえて収縮させることができる力を及ぼします。粒子が重力に逆らって揺れると、 科学者 散乱光を測定することでその位置を追跡し、この情報を光ピンセットの制御システムに常にフィードバックします。光フィードバックの特定のプロセスにより、レーザーと同様の条件を作り出すことができ、ナノ粒子の運動状態を完全に制御します。

新しいレイアウトの主な構造上の特徴は次のとおりです。

• 熱ノイズの除去: フォノン システムの主な障害は熱雑音です。熱雑音はランダムな機械的変動を引き起こし、有用な信号を覆い隠します。研究者らは、非線形減衰とパラメトリック変調を使用することで、この固有のノイズを「圧縮」しました。
• 量子侵害: 圧縮状態はハイゼンベルクの不確定性原理に基づいて機能します。これは、振動の特定の成分の不確実性を意図的に制限する一方で、その共役成分の不確実性を高めます。この「トリック」により、特定のパラメータの測定精度が向上します。
• 2 つの状況を相関させる: このデバイスは、浮遊ナノ粒子の異なる振動軸を組み合わせ（結合モード）することで動作し、初期の一次元アプローチと比較して最終信号の安定性が劇的に向上します。

この隔離技術は環境の擾乱を排除し、メゾスコピックレベル、つまり量子物理学と古典物理学の境界面で量子現象を観察することを可能にします。熱揺らぎの減少は、科学者が以前は達成できなかった解像度で微小な動きや微妙な力を記録できることを意味します。

ナビゲーションにおけるアプリケーションと GPS からの独立性

システム内のノイズを厳密に制限することで、高度な加速度センサーの開発への道が開かれます。研究の主要な実用化は、「量子コンパス」の作成に見られます。現在、全地球規模の衛星ナビゲーション システム (GPS、ヨーロッパの Galileo、ロシアの GLONASS など) は弱い外部信号のみに依存しています。これらの信号の性質上、干渉を受けやすくなります (ジャミング）および意図的な改ざん（スプーフィング）、深刻なセキュリティ上のギャップが生じます。

に基づいた慣性航法システム テクノロジー 圧縮フォノンレーザーは、絶対的な自律性で加速度、角速度、方向を測定できます。重力そのものと車内の慣性変化を記録するため、位置を特定するために外部信号を受信する必要がありません。

ギリシャとヨーロッパの海運への影響

量子センサーによる高精度の自律航行の可能性は、特に東地中海や紅海などの地政学的流動性が激しい地域にとって戦略的利点となります。

世界最大の商用艦隊を管理するギリシャの海運会社は、重要な航路での衛星信号損失という事故に常に直面しています。今後数年間でこのような量子システムが商用船舶の航行システム (ECDIS) に段階的に統合されることで、中断のない航行が保証され、サイバーリスクと保険コストが大幅に削減されます。

GPS への依存が主な脆弱性である無人航空機 (UAV) や水中車両 (AUV) のエコシステムでも同様の応用が期待されています。

量子限界における重力の再考

フォノンレーザーは、実用的な工学的応用を超えて、宇宙の基本的な力を制御する新しいプリズムを提供します。重力はこれらのサイズを支配する電磁力よりも比較にならないほど弱いため、ナノスケールでの重力の測定は依然として理論物理学において最も扱いにくい問題の1つです。

ロチェスター大学の懸濁ナノ粒子の比類のない感度により、物理学者は局所的な重力場の小さな変動を検出できるようになります。この事実により、重力と量子系の相互作用を制御する実験の計画が可能になり、一般相対性理論と量子力学を統合する証拠を探すことができます。

さらに、純粋な量子状態で巨視的な物体を制御できる能力は、科学者が有名なシュレーディンガーの猫の思考実験の限界を現実の物質でテストし、量子重ね合わせで物体がどのくらいの大きさまたは質量になるかを調べるのに役立ちます。

次のステップと課題

によって検証された素晴らしい結果にもかかわらず、 ネイチャーコミュニケーションズ、この技術は研究室の試作段階にあります。これらのデバイスには、非常に強力な真空ポンプ、高出力の光学系、特別な衝撃吸収プラットフォームが必要であり、制御された環境ではかなりの大きさを占めます。

これらのシステムを、商用機器のボードに統合できるコンパクトなマイクロセンサーに変換することが、次の主要なエンジニアリング課題です。研究グループはすでに小型化する方法を研究しており、かさばるデバイスを表面弾性波を利用するソリッドステートマイクロメカニカルシステム（ソリッドステートMEMS/NEMS）に置き換えることを試みています。このステップが正常に完了すると、エネルギー効率の高いマイクロチップが得られ、フォノン科学が材料の理論的研究から将来の応用技術の中核へと確実に移行することになります。