Det britiske team sigter mod kommerciel kvantebaseret tyngdekraftsensor

Målet er at bygge en bærbar teknologi demonstrator inden april 2021, der er dobbelt så følsom som industri standard (faldende masse) teknik, og vigtigere fordi målet er at dette fører til et kommercielt produkt, 10x hurtigere i drift. "Nu tager det nogle dage at måle på tværs af et fodboldbane, vi ønsker at få det ned til mindre end en dag," siger Cliff Weatherup, strategisk teknologichef for Teledyne e2v Electronics Weekly - selskabet vil integrere komponenterne i det endelige instrument .

Teknikken genkender stadig bevægelsen af ​​en masse, men i dette tilfælde er det en sky af ultrakold atomer, der sandsynligvis vil være rubidium, fremdrevet opad i et vakuum og derefter falde tilbage under tyngdekraften. (Se Hvordan det virker under)

Dens kvante karakter forbinder enhver måling med egenskaberne af de anvendte atomer, som så vidt som alle kan fortælle, er helt invariant, hvilket betyder, at tyngdekraftsmåling i teorien kan være absolut uden behov for kalibrering.

Teledyne e2v er en del af konsortiet, kaldet Gravity Pioneer, som ledes af ingeniørvirksomheden RSK, og omfatter også: Fraunhofer UK, Altran, Geomatrix Earth Science, Magnetiske Shields, UniKLasers, Silicon Microgravity, Optocap, QinetiQ, Birminghams universitet og University of Southampton.

Projektet har modtaget £ 6 mio. Fra UK Research and Innovation, efter at konsortiet har sendt et bud som svar på £ 20m Quantum Technologies Pioneer Fund, en del af Industrial Strategy Challenge Fund.

Talere om at modtage forskningsfinansiering, sagde dr. Richard Murray, forretningsudviklingsleder hos Teledyne e2v, "Projektet blev foreslået af et britisk konsortium af de bedste videnskabelige og ingeniørvirksomheder, som Det Forenede Kongerige har at tilbyde, fra komponentproducenter til instrumentudviklere og end- brugere.

En faktor i budets succes er ifølge Murray's firma at inkludere hele den potentielle forsyningskæde og slutbrugerne i konsortiet. RSK er en slutbruger, hvis kunder omfatter BP, Network Rail, HS2 og Airbus.

"Det Forenede Kongerige er verdens førende inden for kvanteteknologi, og projektet samler det bedste, som Storbritannien har at tilbyde på dette område. Når vi kan demonstrere den avancerede ydeevne af kvantkold-atomfølere, vil de økonomiske og samfundsmæssige fordele ved denne nye kvanteindustri i Storbritannien være betydelige, "sagde Murray.

Hvordan det virker

Instrumentet involverer et vertikalt vakuumkammer, klynger af rubidiumatomer og lasere - der kræves ingen kryogenikum.

Lasere isolerer en klynge af atomer, køler dem tæt på det absolutte nul, og lancerer dem derefter opad.

Venstre un-molested, tyngdekraften ville medføre langsomt denne klynge til et stop og derefter accelerere tilbage ned til udgangspunktet - meget som en tennisball smidt lige op ville gøre. Den vertikale højde af klyngeflyvningen er ca. 300 mm.

Under denne flyvning rammes klyngen tre gange af lasere, som begge måler det og ændrer det.

Under ingen omstændigheder er atomerne i klyngen påkrævet for at være indviklet med hinanden - ordningen ville arbejde med et atom.

Hvad det kræver, er for hvert atom at virke som en bølge snarere end en partikel (Louis de Broglie, 1920'erne) - i dette tilfælde en bølge med masse, som tyngdekraft kan virke på. Det kræver også, at hvert atom kan placeres i en superposition af to stater (Schrödinger's kat), og at disse to overlejrede bølgeformer fra det samme atom kan blande hinanden.

Den første laser strejke anvendes, når klyngen stiger i sin bane og sætter hvert atom i en superposition.

I en mulig tilstand forbliver fase af atomets bølgeform uberørt. I den anden er dens fase lidt ændret.

Tilbage i partikelverdenen betyder det, at den ændrede del af det overlejrede atom får lidt mere opadgående hastighed og derfor rejser højere.

Den anden strejke forekommer nær toppen af ​​flyvningen, idet enhver fase / hastighedsforskel fjernes, og den tredje forekommer, når skyen kommer tilbage til punktet for den første strejke.

Enhver højdeforskel i banerne er afsløret af interferensdata, der er ekstraheret under de tre målinger - interferens på grund af faseskift i atomernes bølgeform-natur, og det er muligt at udlede værdien af ​​accelerationen (tyngdekraften), der påføres atomer i skyen.

Hvis et atom blev anvendt, ville opbygning af en måling tage minutter, hvorfor en sky er brugt til at give et højere interferens signal-støjforhold.

Dette er en absolut måling af tyngdekraften og ville være ekstraordinært værdifuld som den er, hvis dens ekstreme følsomhed ikke betyder, at gravitationssignaturen er oversvømmet af signaler på grund af fysisk vibration inden for målesystemet - det punkt, at minutter af gennemsnitsværdi ville være kræves for at få en læsning.

Differentiel måling kommer til undsætning

For at afbryde signaler på grund af systemvibration, udføres præcis den samme måling længere op i vakuumrøret, samtidig med at man bruger de samme lasere på en anden atomatmosfære.

Ved at udtrække differenssignalet i lasersignalet er støj på grund af vibration iboende annulleret ud fra de rå data.

Den absolutte værdi af tyngdekraften måles også ud, og instrumentets udgang bliver tyngdeforskellen på grund af de lidt forskellige højder, hvor de to skyer blev målt - det er ikke længere et gravimeter, men et gravitationsgradiometer.

Og ændringer i tyngdekraften gradient er præcis, hvad landmændene søger efter, når de søger efter underjordiske hulrum og masser.

For en mere fuldstændig forklaring, prøv denne University of Birmingham link (klik på Atom Interferometry)

Det hjælper med at kende rummets akse i diagrammet, der er lodret, og diagrammet er som om du var på rejse med atomet, da de tre laserimpulser ændrer sin fase.

Med tak til University of Birmingham koldt atom videnskabsmand dr. Michael Holynski, der tålmodigt forklarede princippet om operation, indtil jeg havde en ide om hvad der foregår.