量子もつれをGPSとして利用し、電波の届かない場所でも正確な測位を実現

量子もつれとは、粒子間に生じる特殊な結合現象を指します。もつれ状態では、個々の粒子の性質を個別に記述することはできず、系全体の性質を記述することしかできず、たとえ粒子が宇宙全体から離れていても、その影響は距離が変化しても消えることはありません。

新しい研究では、量子もつれメカニズムを使用することで、センサーの動きの検出がより正確かつ高速になることが示されました。科学者たちは、この発見が GPS に依存しないナビゲーション システムの開発に役立つ可能性があると考えています。

アリゾナ大学およびその他の機関が「Nature Photonics」に投稿した新しい研究では、研究者らは、光ビームを使用して干渉して応答する光機械センサーの実験を実施しました。これらのセンサーは加速度計として機能し、スマートフォンが動きを検出するために使用できます。一方、加速度計は、地下、水中、建物内、遠隔地、無線信号が妨害される場所など、GPS 信号が弱い場所での慣性航法システムにも使用できます。

論文「エンタングルメント強化オプトメカニカルセンシング」:

##論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41566-023-01178-0

写真製版センシングを改善するにはパフォーマンスを向上させるために、研究者らは、アインシュタインが「遠距離での不気味なアクション」と呼んだエンタングルメントを利用しようとしている。絡み合った粒子は、どんなに離れていても、基本的に同期しています。

研究者らは、今後 2 年以内にプロトタイプのもつれ加速度計チップを完成させたいと考えています。

量子もつれは距離を無視しますが、外部干渉の影響も非常に受けやすくなります。量子センサーはこの感度を利用して、周囲環境のわずかな乱れを検出します。

「量子強化オプトメカニカルセンシングに関する私たちのこれまでの研究は、主に単一のセンサーの感度を向上させることに焦点を当てていました」と、アリゾナ大学の量子物理学研究の筆頭著者は述べています。ツーソンの科学者イー・シア氏は言う。 「しかし、最近の理論的および実験的研究では、量子もつれによって複数のセンサー間の感度が大幅に向上することが示されています。これは、分散量子センシングとして知られるアプローチです。」

オプトメカニクス センサーのメカニズムは、同期した 2 つのセンサーに依存しています。レーザービーム。光線は発振器と呼ばれるコンポーネントで反射され、発振器が動くと光が検出器に到達するまでの距離が変化します。このような移動距離の違いは、2 番目のビームが最初のビームと重なるときに明らかになります。センサーが静止している場合、2 つのビームは完全に位置合わせされますが、センサーが動いている場合、重なり合う光波が干渉パターンを作成し、センサーの動きの大きさと速度が明らかになります。

新しい研究では、アリゾナ大学のダル・ウィルソンのグループのセンサーは、振動子として膜を使用しています。叩いた後に振動するドラムヘッドのようなものです。

ここで、研究者らは、1 つの発振器に 1 つのビームを照射するのではなく、赤外線レーザー ビームを 2 つの絡み合ったビームに分割し、2 つの発振器から検出器上の 2 つのビームに反射しました。この光のもつれの性質により、基本的に 2 つのセンサーが単一の光線を分析できるようになり、連携して速度と精度が向上します。

「もつれを利用して、複数の光機械センサーの力感知性能を向上させることができます」と、この研究の筆頭著者であり、ミシガン大学アナーバー校の量子物理学者である Zheshen Zhang 氏は述べています。 。

さらに、装置の精度を向上させるために、研究者らはいわゆる「圧縮光」を使用しました。光を絞ることは、量子物理学の重要な原理であるハイゼンベルクの不確定性原理を利用しており、これは、粒子の位置が決定されるとき、その運動量は完全に不確実であり、粒子の運動量が決定される場合、その位置は完全に不確実であると述べています。スクイーズドライトはこのトレードオフを利用して、特定の変数 (この場合はレーザービームを構成する波の位相) の測定の不確実性を「絞る」または低減する一方で、別の変数の測定の不確実性を高めます。しかし、研究担当者は無視して構いません。

「私たちは圧縮光源を作成できる数少ないチームの 1 つであり、現在、それを次世代の精密測定技術の基礎として研究しています」と Zheshen Zhang 氏は述べています。

全体として、科学者たちは、絡み合っていない 2 つのビームを使用する場合よりも 40% 精度が高く、60% 高速に測定値を収集することができました。さらに、センサーの数が増えるにつれて、この方法の精度と速度も向上することが期待されると述べています。

「これらの発見は、超高精度の力センシングの性能を前例のないレベルまでさらに向上させることができることを意味します」と Zheshen Zhang 氏は述べています。

研究者らは、光機械センサーの改良は、より優れた慣性航法システムにつながるだけでなく、暗黒物質や重力波などの神秘的な現象の検出にも役立つ可能性があると述べています。ダークマターは、宇宙の全物質の6分の5を構成すると考えられている目に見えない物質であり、その重力の影響の可能性を検出することは、科学者がその特性を解明するのに役立ちます。重力波は時空構造の波紋であり、ブラックホールからビッグバンに至るまでの謎を明らかにするのに役立ちます。

次に、科学者たちはシステムの小型化を計画しています。幅わずか0.5センチメートルのチップ上に圧縮光源を配置することはすでに可能です。今後 1 ～ 2 年以内に、スクイーズ光源、ビーム スプリッター、導波路、慣性センサーを含むプロトタイプ チップが完成すると予想されます。 「これにより、この技術はより実用的で、より手頃な価格で、よりアクセスしやすくなります」とZheshen Zhang氏は述べています。

さらに、研究チームは現在、ハネウェル、ジェット推進研究所、NIST、その他いくつかの大学と協力して、チップスケールの量子強化慣性測定ユニットの開発に取り組んでいます。 「私たちのビジョンは、このような統合センサーを自動運転車や宇宙船に導入して、GPS 信号なしで正確なナビゲーションを実現することです」と Zheshen Zhang 氏は述べています。

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