アメリカのサンディア国立研究所の研究者たちは、5ミリワットの電力で動作する量子センサーを開発しました。これは標準的なLED電球の約2000分の1の消費電力であり、厚さ420ナノメートルの光ファイバーを使用しています。この厚さは人間の髪の毛の200倍です。このセンサーとその関連技術の発展は、量子センサー技術の実地応用への道を開きました。今日の世界では、ナビゲーションが衛星信号に高度に依存しており、アプリベースのタクシー、商業航空機、海上のコンテナ船、さらには戦闘に参加する軍事ドローンまで、すべてが衛星信号を利用して位置を特定し、目的地へナビゲートしています。
このような高い依存性の中で、衛星信号を妨害したり偽造したりすることで、システムを簡単に麻痺させることができます。これは電磁ノイズによって実現され、これらの信号をかき消すことができます。
この問題を解決するために、科学者たちは量子に基づくナビゲーションシステムの研究を続けてきました。これらのシステムは、妨害されにくく、非常に高い精度を持っています。このようなシステムの動作方法にはさまざまなアプローチがありますが、その一つが自由空間原子干渉法です。この方法では、超冷原子が真空室内で放出され、レーザーを使用してその運動を測定します。しかし、振動や他の擾乱がこれらの測定を不安定にする可能性があり、科学者たちはより安定した方法を模索しています。光を束ねる原子干渉法は、光ファイバー以外の装置を使用して原子を導く方法であり、狭い管の中を流れるビーズのように、常にレーザーで観察されることを保証します。
サンディア国立研究所の量子センサー技術がナビゲーションシステムの未来を変える
サンディア国立研究所の量子センサー科学者、ジョンミン・リー（Jongmin Lee）は、非常に小型のデバイスを構築することに取り組んでおり、このデバイスは極めて少ない電力を消費し、実地での応用が可能です。リーの野心は、このデバイスをフォトニック集積回路に配置し、デバイスが衝撃を受けても測定が続行できるようにすることです。現実の状況では、これは車両が荒れた地形を横断したり、航空機が乱流を経験したりする際のナビゲーションをサポートします。リーはプレスリリースで、「このアイデアは数十年の間、社会に十分に実現されていなかった。その理由は、真空中での熱放散の課題と原子の効果的なロードの難しさにあります。」と説明しました。
レーザーは、移動する原子を導き、数えるための光環効果を生成する必要があります。しかし、これらはシステム内の主要な熱源でもあり、特に人間の髪の毛よりもはるかに細いナノファイバーなどの部品を扱う場合には特にそうです。この場合、科学者たちは常にトレードオフを考慮する必要があります。脆弱な設計を使用して原子をうまくロードできるが、高温条件下で壊れやすいか、堅牢な設計を使用して熱をうまく処理できるが、原子を効果的にロードできないかのいずれかです。リーが率いるサンディア国立研究所の研究者たちは、小型のシリコン針を使用してウェーブガイドを両側に固定し、放熱器として機能させることでこの問題を解決しました。
リーはプレスリリースで、「私たちのナノファイバー研究の結果に基づいて、セシウム原子はわずか5ミリワットの光学電力で捕獲でき、サブミリワットの光ファイバー結合ビームを使用して原子のコヒーレンスを測定できることを証明しました。また、真空内の熱負荷を最小限に抑えています。」と付け加えました。
セットアップのいくつかの問題を解決した後、チームはガイドと他のコンポーネントを1つのチップに統合し、慣性量子センサーアレイを構築することを目指しています。これらの研究結果は、ジャーナル『AVS Quantum Science』に発表されました。