美科学家开发的紧凑型设备可能会带来不依赖GPS的导航功能

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美国能源部桑迪亚国家实验室展示的先进寻路技术终于可以变得紧凑、可实战。一年多来,这个鳄梨大小的“真空室”在合适的条件下容纳了一团原子,用于精确的导航测量。桑迪亚国家实验室的科学家Peter Schwindt说,这是第一个足够小、足够节能、足够可靠的设备,有可能将量子传感器--利用量子力学来超越传统技术的传感器--从实验室推向商业使用。

 

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Peter说,桑迪亚实验室开发了该装置,作为未来不依赖GPS卫星的导航系统的核心技术。今年早些时候,《AVS量子科学》杂志对其进行了描述。

世界上无数的设备都使用GPS进行寻路。这是可能的,因为以极其精确的计时而闻名的原子钟可以使卫星网络完美地保持同步。

但Peter称,GPS信号可能被干扰或欺骗,有可能使商业和军用车辆的导航系统失效。因此,他认为未来的车辆可能会跟踪自己的位置,而不是依赖卫星。他们可以通过与原子钟一样精确的车载设备来实现这一目标,但这些设备通过将激光照射到小型铷气云中来测量加速度和旋转,就像桑迪亚实验室开发的装置所包含的那种。

 

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紧凑性是现实世界应用的关键

原子加速计和陀螺仪已经存在,但它们太过笨重和耗电,无法在飞机的导航系统中使用。这是因为它们需要一个大型的真空系统来工作,这个系统需要数千伏的电力。

桑迪亚实验室博士后科学家Bethany Little说:“量子传感器是一个不断增长的领域,你可以在实验室里展示很多应用,”他正在为这项研究做出贡献。“但当你把它移到现实世界时,有很多问题你必须解决。两个问题是使传感器紧凑和坚固。物理学上的事情都发生在一立方厘米的体积里,所以任何大于这个体积的东西都是浪费空间。”

Bethany说,她的团队已经表明,量子传感可以在没有高功率真空系统的情况下工作。这将封装缩小到一个实用的尺寸,而不牺牲可靠性。一对被称为"获取器"的设备取代了动力真空泵,后者会将漏入的分子吹走并破坏测量结果,这对设备使用化学反应来绑定“束缚入侵者”。每个获取器的大小与铅笔橡皮差不多,因此它们可以被塞进钛合金包装中伸出的两个狭窄的管子里。它们还可以在没有电源的情况下工作。

为了进一步阻挡污染物,Peter与桑迪亚国家实验室的材料科学家合作,用钛和蓝宝石建造了这个“真空室”。这些材料在阻挡像氦气这样的气体方面特别出色,因为氦气可以挤破不锈钢和Pyrex玻璃。这项研究的资金由桑迪亚的实验室指导研究和开发计划提供。

研究人员在建造时采用了桑迪亚为粘合核武器部件的先进材料而开发出来的复杂制造技术。与核武器一样,钛室必须可靠地工作多年。

桑迪亚团队正在继续监测该装置。他们的目标是使其密封并运行五年,这是一个重要的里程碑,表明该技术已经准备好投入使用。同时,他们正在探索精简制造的方法。

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