量子技術を活用したGPSに依存しない革新的なナビゲーションシステムの開発が、大きな飛躍を遂げている。サンディア国立研究所の研究チームが、原子干渉計を用いた超高精度の量子センサーを、従来の冷蔵庫サイズから小型チップへと劇的に小型化することに成功した。この画期的な技術は、GPS信号が利用できない環境での正確な位置測定を可能にし、軍事作戦や自動運転システムなど幅広い分野での応用が期待されている。
量子コンパスの実現に向けた驚異的な飛躍
現在の航法グレードの動作センサーは通常、グレープフルーツほどの大きさで、GPS信号と連携して船舶、航空機、車両などの操縦を支援している。しかし、この新しい「量子コンパス」技術は、最終的に衛星に頼らない完全自律型のナビゲーションを可能にする可能性を秘めたものだ。
量子技術をナビゲーションに利用するという発想自体は新しいものではない。この技術は原子干渉計と呼ばれるセンサーを使用し、GPS衛星を必要とせずに位置と動きを追跡できる。しかし、これまでの課題は、必要な精度を得るためには6つの大型原子干渉計を使用する必要があり、そうすると部屋全体を占めるほどの巨大なサイズになってしまうことだった。
サンディア国立研究所の研究チームは、この状況を一変させる技術革新を達成する事に成功した。彼らは、原子干渉計に必要な従来の大型レーザーシステムを、超小型の集積フォトニック回路で置き換えることに成功したのだ。これにより、量子ナビゲーションセンサーを驚くほど小さなパッケージに収めることが可能になった。
研究チームのJongmin Lee氏は、GPSへの依存度を減らすことの重要性について次のように説明している。「衛星信号は妨害されたり、偽装されたりする可能性があります。これは軍事作戦や自動輸送システムに大きな問題を引き起こす可能性があります。量子力学の原理を活用することで、これらの先進的なセンサーは加速度と角速度の測定において比類のない精度を提供し、GPSが利用できない地域でも正確なナビゲーションを可能にします」。
この技術革新の鍵となったのは、新たに開発された光変調器である。この変調器は、単一の光源から複数のレーザー周波数を精密に制御し結合することができ、個々のレーザーを積み重ねる必要性を排除した。研究チームのAshok Kodigala氏によると、この変調器は不要な側帯波を47.8デシベル、つまり約10万分の1に抑制することに成功しており、「市場に出回っているものと比較して、性能を大幅に向上させました」という。
小型化だけでなく、このチップはより堅牢で振動やショックに強い特性を持っている。この耐久性により、従来のモデルでは使用が困難だった過酷な環境下でも量子センサーを展開できる可能性が開かれた。
さらに、コスト面でも大きな利点がある。従来の部屋サイズの量子ナビゲーションシステムは物理的に巨大なだけでなく、非常に高価であった。例えば、1台のレーザー変調器だけでも1万ドル以上するものもあった。しかし、サンディアのチームは半導体製造技術を使用してチップを大量生産することで、コストを大幅に削減できる見通しを立てている。Kodigala氏は「8インチのウェハー1枚で数百個の変調器を製造でき、12インチのウェハーではさらに多くの製造が可能です」と述べている。
この技術の応用範囲は、ナビゲーションやGPSのバックアップにとどまらない。研究チームは、この量子センサーを使用して地下資源や構造物のマッピングのための微妙な重力変化を検出する可能性も探っている。また、コンパクトな光チップは、LIDAR、量子コンピューティング、光通信などの分野でも有望な可能性を秘めている。
この研究成果は、その重要性から科学誌『Science Advances』の表紙を飾るほどの注目を集めている。サンディア国立研究所のチームは、基礎研究と商業開発の架け橋となる重要な役割を果たしており、この革新的な技術の実用化に向けて着実に歩みを進めている。彼らの努力により、GPSに依存しない高精度ナビゲーションの実現が、もはや遠い未来の話ではなくなりつつある。
論文
- Science Advances: High-performance silicon photonic single-sideband modulators for cold-atom interferometry
参考文献
- Sandia National Laboratories: The mother of all motion sensors
研究の要旨
レーザーシステムは、光パルス原子干渉計（LPAI）の最も複雑な構成要素であり、複数のレーザービームの周波数と強度を制御し、量子重力センサーと慣性センサーを構成する。 その主な機能は、冷原子生成、状態準備、状態選択的検出、光パルスシーケンスのコヒーレント2光子プロセスの生成などである。 大幅な小型化と堅牢化を達成するために、我々は主要なレーザーシステム機能をフォトニック集積回路に統合した。 本研究では、LPAI内でダイナミックな周波数シフトが可能な、1560ナノメートルの高性能シリコンフォトニック・サプレスド・キャリア・シングルサイドバンド（SC-SSB）変調器に焦点を当てている。 無線周波数（RF）チャネルを独立に制御することにより、ピーク変換効率-6.846デシベル（20.7%）で、30デシベルのキャリア抑制と47.8デシベルの前例のないサイドバンド抑制を達成した。 RF信号間の振幅と位相のアンバランスを調査。 この変調器を用いて、ルビジウム（87Rb）原子系における重力加速度g≈9.77±0.01メートル毎秒2乗を推定するために、冷原子発生、状態選択的検出、原子干渉計フリンジを実証した。
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