Дослідники підвищили точність оптомеханічних датчиків за допомогою квантовомеханічних ефектів.
Дослідники з Арізонського університету використовували квантову заплутаність, щоб підвищити чутливість вимірювань оптомеханічних датчиків. Їх можна використовувати в якості надточних акселерометрів або детекторів темної матерії.
Оптомеханічні датчики вимірюють за допомогою світлових хвиль сили, що впливають на чутливий механічний пристрій, пояснюють вчені. Вони засновані на двох синхронізованих лазерних променях, які відбиваються від сенсора. Будь-який рух змінює відстань, яку проходить світло на шляху до детектору. Якщо датчик нерухомий, дві хвилі ідеально вирівняні. Але якщо датчик рухається, вони створюють інтерференційну картину.
У класичних інтерферометричних системах чим далі поширюється світло, тим точніше стає система. Щоб забезпечити високу точність мініатюрних оптомеханічних датчиків, фізики використовували квантову заплутаність.
Замість того щоб розділити світло один раз, щоб він відбивався від датчика і дзеркала, вони розділили кожен промінь двічі, щоб світло відбивалося від двох датчиків і двох дзеркал. В якості датчиків використовувалися мембрани товщиною всього 100 нм, які рухаються у відповідь на дуже невеликі сили.
Схема запропонованої установки. Зображення: Yi Xia et al., Nature Photonics
Подвоєння датчиків підвищує точність, оскільки мембрани повинні вібрувати синхронно один з одним, але заплутаність додає додатковий рівень координації, відзначають вчені. Вони «стиснули» лазерний промінь. У квантово-механічних об’єктах, таких як фотони, існує фундаментальна межа того, наскільки точно можуть бути відомі положення і імпульс частинки. Оскільки фотони також є хвилями, це виражається в фазі хвилі (де вона знаходиться в своїх коливаннях) і її амплітуді (скільки енергії вона несе).
Оскільки флуктуації у двох заплутаних променях пов’язані, похибки в їх фазових вимірах корелюють. В результаті експерименту вчені отримали вимірювання, які на 40% точніше, ніж з двома не спутаними променями, і зробили це на 60% швидше. Розрахунки показують, що точність і швидкість зростуть пропорційно кількості датчиків.
Розробники відзначають, що такі чутливі датчики можна використовувати для інерційної навігації на планеті, на якій немає супутників GPS, або всередині будівлі, коли людина переміщається по різних поверхах. Крім того, з їх допомогою можна вимірювати мінімальні гравітаційні збурення, пов’язані з темною матерією. Дослідники продовжать працювати над мініатюризацією пристрою, щоб його можна було вбудувати в прилад розміром зі смартфон.