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martes, noviembre 29, 2022
Ciencia & Tecnologianavegación cuando el GPS se oscurece – europeantimes.news

navegación cuando el GPS se oscurece – europeantimes.news

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Los sensores de inercia cuántica podrían servir como revolucionarias ayudas de navegación a bordo si pudieran rediseñarse en dispositivos compactos y resistentes. Cuando las señales de GPS se interfieren o se pierden, pueden guiar a los vehículos de manera segura.

Sensores cuánticos de alta tecnología: navegación cuando el GPS se oscurece 3

Los sensores cuánticos de alta tecnología podrían guiar a los vehículos sin satélites, si pueden manejar el viaje.

Cuando se habla de sensores de inercia cuántica, es poco probable que se pronuncien palabras como “resistente” o “resistente”. Estos notables instrumentos científicos pueden medir el movimiento con una precisión mil veces mayor que los dispositivos que ayudan a navegar los misiles, drones y aeronaves actuales. Sin embargo, su delicado conjunto de componentes del tamaño de una mesa que incluye un complejo láser y un sistema de vacío esencialmente ha mantenido la tecnología en tierra y confinada a los entornos controlados de un laboratorio.

Jongmin Lee quiere cambiar eso.

El físico atómico es parte de un equipo en Sandia que visualiza sensores de inercia cuántica como ayudas de navegación a bordo revolucionarias. El equipo está trabajando para rediseñar el sensor en un dispositivo compacto y resistente, en el que la tecnología podría guiar a los vehículos de manera segura cuando las señales de GPS se interfieren o se pierden.

En un hito importante hacia la realización de su visión, el equipo ha construido con éxito un interferómetro de átomo frío. Este es un componente central de los sensores cuánticos, y su versión está diseñada para ser mucho más pequeña y resistente que las configuraciones típicas de laboratorio. El equipo describe su prototipo en un artículo que se publicó recientemente en la revista académica Naturaleza de Comunicaciones, que muestra cómo integrar varios componentes normalmente separados en una sola estructura monolítica. Al hacerlo, redujeron los componentes clave de un sistema que existía en una gran mesa óptica a un paquete resistente del tamaño de una caja de zapatos.

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Sensores cuánticos de alta tecnología: navegación cuando el GPS se oscurece 4

¿LO SUFICIENTEMENTE RESISTENTE? — El físico atómico de Sandia, Jongmin Lee, examina el cabezal del sensor de un interferómetro de átomos fríos que podría ayudar a los vehículos a mantener el rumbo cuando no se dispone de GPS. Crédito: Foto de Bret Latter

“Se ha demostrado una sensibilidad muy alta en el laboratorio, pero los asuntos prácticos son, para la aplicación en el mundo real, que las personas necesitan reducir el tamaño, el peso y la potencia, y luego superar varios problemas en un entorno dinámico”, dijo Jongmin. .

El documento también describe una hoja de ruta para miniaturizar aún más el sistema utilizando tecnologías en desarrollo.

El prototipo, financiado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio de Sandia, demuestra avances significativos hacia el traslado de tecnología avanzada de navegación fuera del laboratorio a vehículos en tierra, bajo tierra, en el aire e incluso en el espacio.

El Sistema de posicionamiento global (GPS) es una constelación de satélites en órbita que proporciona datos de posición, navegación y sincronización a usuarios militares y civiles de todo el mundo. Los satélites GPS orbitan la Tierra cada 12 horas, transmitiendo continuamente señales de navegación. Con el equipo adecuado, los usuarios pueden recibir al menos cuatro señales de satélite para calcular la hora, la ubicación y la velocidad. Las señales son tan precisas que el tiempo se puede calcular en una millonésima de segundo, la velocidad en una fracción de milla por hora y la ubicación en 100 pies.

Las mediciones ultrasensibles impulsan el poder de navegación

A medida que un avión vuela por el cielo, la tecnología de navegación a bordo actual puede medir las inclinaciones y giros y las aceleraciones de la aeronave para calcular su posición sin GPS, por un tiempo. Pequeños errores de medición desvían gradualmente a un vehículo de su curso a menos que se sincronice periódicamente con los satélites, dijo Jongmin.

La detección cuántica operaría de la misma manera, pero la precisión mucho mejor significaría que la navegación a bordo no necesitaría verificar sus cálculos con tanta frecuencia, lo que reduciría la dependencia de los sistemas satelitales.

Roger Ding, un investigador postdoctoral que trabajó en el proyecto, dijo: “En principio, no hay variaciones ni calibraciones de fabricación”, en comparación con los sensores convencionales que pueden cambiar con el tiempo y necesitan ser recalibrados.

Aaron Ison, el ingeniero principal del proyecto, dijo que para preparar el interferómetro atómico para un entorno dinámico, él y su equipo utilizaron materiales probados en entornos extremos. Además, las partes que normalmente están separadas e independientes se integraron juntas y se fijaron en su lugar o se construyeron con mecanismos de bloqueo manual.

“Una estructura monolítica con la menor cantidad posible de interfaces atornilladas fue clave para crear una estructura de interferómetro atómico más resistente”, dijo Aaron.

Además, el equipo utilizó cálculos estándar de la industria llamados análisis de elementos finitos para predecir que cualquier deformación del sistema en entornos convencionales estaría dentro de los límites requeridos. Sandia no ha realizado pruebas de estrés mecánico ni pruebas de campo en el nuevo diseño, por lo que se necesita más investigación para medir la resistencia del dispositivo.

“El diseño pequeño y compacto en general conduce naturalmente a una estructura más rígida y robusta”, dijo Aaron.

La fotónica ilumina el camino hacia un sistema más miniaturizado

La mayoría de los experimentos modernos de interferometría atómica utilizan un sistema de láseres montados en una gran mesa óptica por razones de estabilidad, dijo Roger. El dispositivo de Sandia es comparativamente compacto, pero el equipo ya ha presentado mejoras de diseño adicionales para hacer que los sensores cuánticos sean mucho más pequeños utilizando tecnologías fotónicas integradas.

“Hay decenas o cientos de elementos que se pueden colocar en un chip más pequeño que un centavo”, dijo Peter Schwindt, investigador principal del proyecto y experto en detección cuántica.

Los dispositivos fotónicos, como un láser o fibra óptica, utilizan la luz para realizar un trabajo útil y los dispositivos integrados incluyen muchos elementos diferentes. La fotónica se usa ampliamente en las telecomunicaciones, y las investigaciones en curso las están haciendo más pequeñas y versátiles.

Con más mejoras, Peter cree que el espacio que necesita un interferómetro podría ser de unos pocos litros. Su sueño es hacer uno del tamaño de una lata de refresco.

En su artículo, el equipo de Sandia describe un diseño futuro en el que la mayor parte de su configuración láser se reemplaza por un solo circuito integrado fotónico, de unos ocho milímetros en cada lado. La integración de los componentes ópticos en un circuito no solo haría que un interferómetro atómico fuera más pequeño, sino que también lo haría más resistente al fijar los componentes en su lugar.

Si bien el equipo aún no puede hacer esto, muchas de las tecnologías fotónicas que necesitan están actualmente en desarrollo en Sandia.

“Este es un camino viable hacia sistemas altamente miniaturizados”, dijo Roger.

Mientras tanto, Jongmin dijo que los circuitos fotónicos integrados probablemente reducirían los costos y mejorarían la escalabilidad para la fabricación futura.

“Sandia ha mostrado una visión ambiciosa para el futuro de la detección cuántica en la navegación”, dijo Jongmin.

Referencia: “Un interferómetro compacto de átomos fríos con una trampa magnetoóptica de rejilla de alta velocidad de datos y un sistema láser compatible con circuitos integrados fotónicos” por Jongmin Lee, Roger Ding, Justin Christensen, Randy R. Rosenthal, Aaron Ison, Daniel P. Gillund, David Bossert, Kyle H. Fuerschbach, William Kindel, Patrick S. Finnegan, Joel R. Wendt, Michael Gehl, Ashok Kodigala, Hayden McGuinness, Charles A. Walker, Shanalyn A. Kemme, Anthony Lentine, Grant Biedermann y Peter DD Schwindt, 1 de septiembre de 2022, Naturaleza de Comunicaciones.
DOI: 10.1038/s41467-022-31410-4



Fuente: The European Times

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