Cảm biến trọng lực lượng tử mở đường đột phá cho bản đồ đột phá về thế giới dưới bề mặt trái đất

Một vật thể ẩn dưới mặt đất đã được định vị bằng công nghệ lượng tử – một cột mốc được mong đợi từ lâu, có ý nghĩa sâu sắc đối với ngành công nghiệp, tri thức nhân loại và an ninh quốc gia.

Các nhà nghiên cứu của Đại học Birmingham từ Trung tâm Công nghệ Lượng tử Quốc gia Vương quốc Anh về Cảm biến và Thời gian đã báo cáo thành tựu của họ trên tạp chí Nature . Đây là thiết bị đầu tiên trên thế giới sử dụng dụng cụ đo trọng sai lượng tử ngoài điều kiện phòng thí nghiệm.

Máy đo trọng sai lượng tử, được phát triển theo hợp đồng cho Bộ Quốc phòng và trong dự án Gravity Pioneer do UKRI tài trợ, được sử dụng để tìm một đường hầm được chôn ngoài trời trong điều kiện thực tế cách bề mặt đất một mét. Nó chiến thắng trong một cuộc đua quốc tế để đưa công nghệ ra bên ngoài.

Cảm biến hoạt động bằng cách phát hiện các biến thể trong vi trọng lực bằng cách sử dụng các nguyên tắc vật lý lượng tử, dựa trên việc điều khiển tự nhiên ở cấp độ phân tử.

Thành công này mở ra một con đường thương mại để cải thiện đáng kể việc lập bản đồ những gì tồn tại dưới mặt đất.

Điều này có nghĩa là:

• Giảm chi phí và sự chậm trễ cho các dự án xây dựng, đường sắt và đường bộ.
• Cải thiện khả năng dự đoán các hiện tượng tự nhiên như núi lửa phun trào.
• Khám phá các nguồn tài nguyên thiên nhiên tiềm ẩn và các công trình xây dựng.
• Tìm hiểu những bí ẩn khảo cổ học mà không làm hỏng việc khai quật.

Giáo sư Kai Bongs, Trưởng bộ môn Vật lý Nguyên tử Lạnh tại Đại học Birmingham và Điều tra viên chính của Trung tâm Cảm biến và Thời gian Công nghệ Lượng tử Vương quốc Anh, cho biết: “Đây là một ‘khoảnh khắc Edison’ trong việc cảm nhận sẽ biến đổi xã hội, sự hiểu biết của con người và nền kinh tế.

“Với bước đột phá này, chúng tôi có khả năng chấm dứt sự phụ thuộc vào hồ sơ kém và may mắn khi chúng tôi khám phá, xây dựng và sửa chữa. Ngoài ra, một bản đồ ngầm về những gì hiện không nhìn thấy giờ đây là một bước tiến gần hơn đáng kể, chấm dứt tình trạng mà chúng ta biết nhiều hơn về Nam Cực so với những gì nằm dưới đường phố của chúng ta vài bước chân ”.

Cảm biến trọng lực hiện tại bị giới hạn bởi một loạt các yếu tố môi trường. Một thách thức cụ thể là độ rung, giới hạn thời gian đo của tất cả các cảm biến trọng lực cho các ứng dụng khảo sát. Nếu những hạn chế này có thể được giải quyết, các cuộc điều tra có thể trở nên nhanh hơn, toàn diện hơn và chi phí thấp hơn.

Cách hoạt động của cảm biến trọng lực lượng tử

Cảm biến trọng lực lượng tử đo lường những thay đổi tinh vi trong sức kéo của trường hấp dẫn khi một đám mây nguyên tử bị rơi xuống. Vật thể càng lớn và sự khác biệt về mật độ của vật thể so với môi trường xung quanh nó, thì sự khác biệt có thể đo được về lực kéo càng mạnh. Nhưng độ rung, độ nghiêng của thiết bị và sự gián đoạn từ trường từ và nhiệt đã khiến việc biến lý thuyết lượng tử thành thực tế thương mại trở nên khó khăn. Bước đột phá về cảm biến lượng tử Birmingham là bước đột phá đầu tiên đáp ứng những thách thức trong thế giới thực này và thực hiện khảo sát độ phân giải không gian cao. Việc loại bỏ tiếng ồn do rung động sẽ mở khóa lập bản đồ trọng lực ở độ phân giải không gian cao.

Cảm biến được phát triển bởi Tiến sĩ Michael Holynski, Trưởng phòng đo giao thoa nguyên tử tại Birmingham và là tác giả chính của nghiên cứu, và nhóm của ông tại Birmingham là một máy đo trọng lực. Hệ thống của họ vượt qua rung động và một loạt các thách thức môi trường khác để ứng dụng thành công công nghệ lượng tử trong lĩnh vực này.

Việc phát hiện thành công, được thực hiện với sự cộng tác của các kỹ sư dân dụng do Giáo sư Nicole Metje của Trường Kỹ thuật đứng đầu, là đỉnh cao của một chương trình phát triển dài hạn được liên kết chặt chẽ với người dùng cuối ngay từ đầu.

Bước đột phá này sẽ cho phép các cuộc khảo sát trọng lực trong tương lai rẻ hơn, đáng tin cậy hơn và được thực hiện nhanh hơn 10 lần, giảm thời gian cần thiết cho các cuộc khảo sát từ một tháng xuống còn vài ngày. Nó có tiềm năng mở ra một loạt các ứng dụng mới để khảo sát trọng lực, cung cấp một thấu kính mới vào lòng đất.

Giáo sư George Tuckwell, Giám đốc Khoa học Địa chất và Kỹ thuật tại RSK, cho biết: “Việc phát hiện các điều kiện mặt đất như công việc hầm mỏ, đường hầm và nền đất không ổn định là cơ bản cho khả năng thiết kế, xây dựng và bảo trì nhà ở, công nghiệp và cơ sở hạ tầng của chúng tôi. Khả năng được cải thiện mà công nghệ mới này thể hiện có thể thay đổi cách chúng tôi lập bản đồ mặt bằng và thực hiện các dự án này ”

TS. môi trường đầy thử thách. Khi công nghệ cảm biến trọng lực phát triển, các ứng dụng điều hướng dưới nước và khám phá lòng đất sẽ trở nên khả thi ”.

Tham khảo: “Cảm biến lượng tử cho bản đồ trọng lực” của Ben Stray, Andrew Lamb, Aisha Kaushik, Jamie Vovrosh, Anthony Rodgers, Jonathan Winch, Farzad Hayati, Daniel Boddice, Artur Stabrawa, Alexander Niggebaum, Mehdi Langlois, Yu-Hung Lien, Samuel Lellouch , Sanaz Roshanmanesh, Kevin Ridley, Geoffrey de Villiers, Gareth Brown, Trevor Cross, George Tuckwell, Asaad Faramarzi, Nicole Metje, Kai Bongs và Michael Holynski, 23 tháng 2 năm 2022, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-021-04315-3

Bước đột phá là sự hợp tác giữa Đại học Birmingham, nhà cung cấp giải pháp môi trường, kỹ thuật và bền vững RSK, Dstl (Phòng thí nghiệm Khoa học và Công nghệ Quốc phòng, thuộc Bộ Quốc phòng Anh) và công ty công nghệ Teledyne e2v. Dự án được tài trợ bởi Tổ chức Nghiên cứu và Sáng tạo Vương quốc Anh (UKRI) như một phần của Chương trình Công nghệ Lượng tử Quốc gia Vương quốc Anh và theo hợp đồng của Bộ Quốc phòng.

Theo Scitechdaily