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工程师获得500万美元的量子动力导航工具

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-10-14 浏览次数:0
  该项目旨在使空间和地面导航更加灵敏、准确和负担得起。
 
  亚利桑那大学材料科学与工程系助理教授 Zheshen Zhang 正在领导一项 500 万美元的量子技术项目,以推进自动驾驶汽车和航天器的导航,以及测量暗物质和引力波等超凡脱俗的材料。
 
  美国国家科学基金会的 融合加速器计划正在为量子传感器项目提供资金,该计划可快速跟踪解决现实世界问题的多学科努力。
 
 
 
工程师获得500万美元的量子动力导航工具



 
  年 9 月,29 个美国团队获得了第一 阶段资金, 用于开发量子技术或人工智能驱动的数据共享和建模解决方案。十个原型已进入第二阶段, 每一个都获得了 500 万美元,其中包括由亚利桑那州研究人员领导的两个项目——张的项目和另一个 由 水文学和大气科学 助理教授劳拉康登领导的项目 。
 
  “量子技术和人工智能创新是美国国家科学基金会的优先事项,”NSF 融合加速器项目负责人道格拉斯·莫恩 (Douglas Maughan) 说。“当今的科学优先事项和全国范围的社会挑战无法由单一学科解决。相反,新思想、技术和方法的融合,加上融合加速器的创新课程,使团队能够加快应用研究。我们很高兴能够欢迎 Quantum Sensors 进入第二阶段,并协助他们应用我们的计划基础,以确保他们的解决方案对整个社会产生积极影响。”
 
  升级陀螺仪和加速度计
 
  我们在日常生活中接触的物体都遵循经典的物理定律,如重力和热力学。然而,量子物理学有不同的规则,处于量子态的物体可以表现出奇怪但有用的特性。例如,当两个粒子通过量子纠缠连接时,一个粒子发生的任何事情都会影响另一个,无论它们相距多远。这意味着两个位置的探头可以共享信息,从而实现更精确的测量。或者,虽然“经典”光以随机间隔发射光子,但科学家可以诱导一种称为“压缩”光的量子状态,使光子发射更规律,并减少测量中的不确定性或“噪声”。
 
  量子传感器项目将利用量子态来创建超灵敏陀螺仪、加速度计和其他传感器。陀螺仪用于飞机和其他车辆的导航,以在方向变化时保持平衡。同时,加速度计测量振动或运动加速度。这些导航级陀螺仪和加速度计是基于光的,可以非常精确,但它们体积庞大且价格昂贵。
 
  许多电子产品,包括手机,都配备了微型陀螺仪和加速度计,可以实现自动屏幕旋转和 GPS 应用程序的方向指针等功能。在这种规模下,陀螺仪由微机械部件组成,而不是激光或其他光源,因此精度要低得多。张和他的团队旨在开发芯片级基于光的陀螺仪和加速度计,以超越当前的机械方法。然而,这种尺度的光检测受到量子物理定律的限制,这对此类光学陀螺仪和加速度计提出了基本的性能限制。
 
  张和他的团队不是用经典资源来对抗这些量子限制,可以说是用量子资源来对抗这些量子限制。例如,压缩光的稳定性可以抵消量子涨落的不确定性,量子涨落是位置和动量等变量的暂时变化。
 
  “基本的量子极限是由量子涨落引起的,但是对于激光器本身,可以使用光的量子态(如纠缠光子或压缩光)打破这个极限,”该大学量子信息和材料组主任张说 。“通过这种方法,我们可以获得更好的测量结果。”
 
  在地球内外获得优势
 
  极其精确的测量有很多好处。如果自动驾驶汽车仅使用紧凑型、量子增强型车载陀螺仪和加速度计就可以确定其确切位置和速度,那么它就不需要依赖 GPS 进行导航。一个独立的导航系统可以保护汽车免受黑客攻击并提供更多稳定性。发送到其他行星的航天器和陆地车辆的导航也是如此。
 
  “无论是天基还是地面技术,都有很多波动。在城市环境中,你可能会在隧道中失去 GPS 信号,”张说。“这种方法可以捕获 GPS 无法提供的信息。GPS 会告诉你你在哪里,但它不会告诉你你的高度、你的车辆行驶的方向或道路的角度。有了所有这些信息,安全乘客的数量将得到保证。”
 
  张正与通用动力任务系统、霍尼韦尔、美国宇航局喷气推进实验室、美国国家标准与技术研究所、普渡大学、德克萨斯农工大学、加州大学洛杉矶分校和摩根州立大学的合作伙伴合作。
 
  “我们很高兴与亚利桑那大学合作开展这个 NSF 融合加速器项目,”霍尼韦尔代表兼项目联合首席研究员吴建峰说。“集成的纠缠光源可以降低本底噪声并实现芯片级陀螺仪的导航级性能。该计划的成功将从多个角度显着扰乱当前的陀螺仪格局。”
 
  由于精确导航将直接影响全球 7 亿人,因此研究人员估计,到 2035 年,量子传感器可能会创造一个 25 亿美元的市场。他们还预计,该技术提供的精确性和稳定性将为研究人员提供一种测量以前无法测量的力量的方法,例如引力波和暗物质。
 
  “作为将第四次工业革命带入生活的领先国际研究型大学,我们坚定地致力于推进令人惊叹的新信息技术,如量子网络,以造福人类,”亚利桑那大学校长罗伯特 C 罗宾斯说。“亚利桑那大学是一所作为该领域国际公认的领导者,我期待看到张博士的量子传感器项目如何推动我们利用量子技术应对现实世界的挑战。”
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