اخبار کوانتومی – تبدیل پالس های نور به آینه های اتمی برای تقویت حسگرهای کوانتومی
عنوان خبر: تبدیل پالس های نور به آینه های اتمی برای تقویت حسگرهای کوانتومی
ژانر/موضوع: اپتیک کوانتومی، حسگری کوانتومی
تاریخ انتشار خبر: 16 فوریه 2025
لینک خبر: interestingengineering.com
چکیده:
محققان تکنیکی را برای بهبود حسگری کوانتومی توسعه دادند که کنترل بهتری بر روی بازتاب‌های اتمی دارد. حسگر کوانتومی که از ویژگی‌های اتمی مانند رفتار موجی استفاده میکنند، دقت بسیار بالاتری نسبت به حسگر کلاسیکی دارند. رویکرد جدید از پالس‌های نور مهندسی‌شده به عنوان آینه‌های اتمی با سرعت بالا استفاده میکند. این پالس‌های نور طوری تنظیم شده‌اند که فقط با اتم‌هایی که با سرعت خاصی حرکت میکنند، تعامل داشته باشند، به طوری که بازتابی منسجم داشته باشند، در حالی که اتم‌هایی که با سرعت‌های دیگر حرکت میکنند، از پالس عبور میکنند و تحت تاثیر قرار نمی‌گیرند.این موضوع باعث کاهش نویز و واضح تر شدن اندازه‌گیری‌ها شده و دقت حسگرهای کوانتومی را افزایش میدهد.این تکنیک با سیستم‌های موجود که از پدیده پراش براگ مرتبه بالا استفاده میکنند، سازگار است و قابل ادغام با فناوری‌های فعلی است. این نوآوری میتواند عملکرد حسگرهای کوانتومی را بهبود بخشد.
شرح کامل خبر:
دستاورد تیم تحقیقاتی آلمانی در زمینه حسگرهای کوانتومی، پیشرفت قابل توجهی در دقت و قابلیت اطمینان اندازه‌گیری‌های کوانتومی است. با پرداختن به یک چالش کلیدی—کاهش نویز ناشی از بازتاب‌های غیرمنتظره اتم‌ها—محققان روشی را توسعه داده‌اند که از پالس‌های نوری به عنوان آینه‌های اتمی تخصصی استفاده میکند. این رویکرد کنترل بهتری بر بازتاب‌های اتمی ایجاد میکند، تداخل در حسگرهای کوانتومی را کاهش میدهد و اندازه‌گیری‌ها را دقیق‌تر و واضح‌تر میکند. این مطالعه که در Physical Review Research منتشر شده است، دیدگاه‌هایی در مورد کنترل رفتار اتمی در تداخل‌سنجی کوانتومی (اینترفرومتری کوانتومی)، به ویژه برای حسگرهایی که از ویژگی‌های موج‌گونه اتم‌ها برای اندازه‌گیری تغییرات در کمیت‌های فیزیکی با دقت بسیار بالا استفاده میکنند، ارائه میدهد.
در حسگرهای کلاسیکی، که معمولاً از ویژگی‌های مکانیکی یا حرارتی مواد برای اندازه‌گیری کمیت‌هایی مانند دما، فشار یا حرکت استفاده میکنند، نویز و عوامل محیطی می‌توانند دقت را به طور قابل توجهی کاهش دهند. در مقابل، حسگرهای کوانتومی از پدیده‌های مکانیک کوانتومی مانند هم‌افزایی و دوگانگی موج-ذره برای دستیابی به دقت بسیار بالاتر استفاده میکنند. به عنوان مثال، یک ساعت اتمی (حسگر کوانتومی) زمان را بر اساس انتقال‌های انرژی اتمی اندازه‌گیری میکند که باعث می‌شود دقت آن نسبت به یک ساعت کوارتز معمولی بسیار بیشتر باشد. با این حال، حسگرهای کوانتومی نیز از چالش‌هایی رنج می‌برند، به ویژه در تنظیمات نوری خود.
مشکل عمده در حسگرهای کوانتومی، بازتاب اتم‌هایی است که طبق انتظار عمل نمی‌کنند و این میتواند سیگنال اینترفرومتری را کاهش دهد. این بازتاب‌ها از نقص‌ها در تنظیمات نوری، نورهای پراکنده (stray light) یا سرعت‌های نامتناسب اتم‌ها ناشی می‌شوند. این مشکل به ویژه در اینترفرومترهای اتمی که از تداخل امواج ماده برای انجام اندازه‌گیری‌های حساس از شتاب و چرخش استفاده میکنند، برجسته است. زمانی که اتم‌ها به درستی با آینه‌ها یا پرتوها تعامل نمی‌کنند، می‌توانند به شیوه‌های غیرمنتظره‌ای بازتاب شوند که منجر به نویز و کاهش کیفیت داده‌ها می‌شود.
تکنیک جدید تیم آلمانی این مشکل را با استفاده از پالس‌های نوری که به عنوان آینه‌های اتمی با سرعت بالا عمل میکنند، حل میکند. پالس‌های نوری به دقت تنظیم شده‌اند تا فقط با اتم‌هایی که سرعت‌ها و جهت‌های خاصی دارند، تعامل داشته باشند. اتم‌هایی که با این پارامترها مطابقت دارند، بازتابی منسجم (coherent reflection) خواهند داشت، به این معنی که به طور پیش‌بینی‌شده‌ای باز می‌گردند و به سیگنال اینترفرومتری کمک میکنند. اتم‌هایی که با سرعت‌ها یا جهت‌های مختلف حرکت میکنند، با حداقل تعامل از پالس عبور میکنند و اطمینان می‌دهند که نویز وارد نمی‌شود. این نوآوری، این امکان را میدهد که حسگر کوانتومی دقت بالایی را حفظ کند و بازتاب‌های اتمی ناخواسته که می‌توانند سیگنال را کاهش دهند، فیلتر کند.
این روش که در مقاله آنها توضیح داده شده است، بر اساس مفهوم پراش براگ مرتبه بالا (higher-order Bragg diffraction) است که قبلاً به عنوان یک تکنیک استاندارد در حسگرهای کوانتومی شناخته شده است. در پراش براگ، نور با اتم‌ها به گونه‌ای تعامل میکند که انتقال تکانه منجر به الگوهای تداخل می‌شود. تکنیک جدید این ایده را با استفاده از پالس‌های آینه‌ای دیکروماتیک (dichroic mirror pulses) گسترش میدهد—پالس‌های نوری که به طور انتخابی مسیرهای اتمی هم‌فرکانس را به خروجی اینترفرومتر بازتاب می‌دهند و به مسیرهای اضافی اجازه می‌دهند که بدون تأثیر بر اندازه‌گیری عبور کنند. این بازتاب انتخابی سیگنال مطلوب را جدا میکند و نویز ناشی از مسیرهای ناخواسته را فیلتر کرده و وضوح سیگنال را بهبود می‌بخشد.
قابلیت مقیاس‌پذیری این روش به پراش براگ مرتبه بالا یک مزیت کلیدی است، زیرا به این معناست که تکنیک میتواند بدون نیاز به تغییرات عمده به راحتی در تنظیمات تجربی موجود ادغام شود. علاوه بر این، استحکام روش در برابر تغییرات در گسترش اولیه تکانه اتم‌ها تضمین میکند که این تکنیک میتواند در شرایط مختلفی به کار گرفته شود و کارایی آن را در انواع مختلف کاربردهای حسگر کوانتومی افزایش دهد.
با تصحیح کنترل حرکت اتمی و بازتاب‌ها، این تکنیک جدید راه را برای پیشرفت‌های آینده در فناوری‌های اندازه‌گیری کوانتومی هموار میکند. این پیشرفت‌ها می‌توانند تأثیرات عمیقی در زمینه‌های مختلف از جمله آزمایش‌های فیزیک بنیادی، سنجش‌های ژئوفیزیکی (مانند اندازه‌گیری میادین گرانشی یا نقشه‌برداری از درون زمین)، و حتی سیستم‌های ناوبری در فضاپیماها و زیردریایی‌ها داشته باشند. پتانسیل حسگرهای کوانتومی بهبود یافته با این رویکرد میتواند به پیشرفت‌هایی در اندازه‌گیری دقیق منجر شود و امکانات جدیدی برای کشف‌های علمی و نوآوری‌های فناوری باز کند.
منابع:
[1] https://interestingengineering.com/science/atomic-mirrors-light-sharper-quantum-sensors
[2] https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.7.L012028
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
