Ett sätt att krympa enheterna som används i kvantavkänningssystem har utvecklats av forskare vid UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing, som leds av University of Birmingham.

Sensorer har ett stort antal industriella användningsområden, från att utföra markundersökningar till att övervaka vulkaner. Forskare som arbetar med sätt att förbättra dessa sensorers kapacitet använder nu kvantteknik, baserad på kalla atomer, för att förbättra deras känslighet.

Maskiner utvecklade i laboratorier med hjälp av kvantteknik, dock, är besvärliga och svåra att transportera, gör nuvarande konstruktioner olämpliga för de flesta industriella användningsområden.

Teamet av forskare har använt ett nytt tillvägagångssätt som gör det möjligt för kvantsensorer att krympa till en bråkdel av sin nuvarande storlek. Forskningen utfördes av ett internationellt team ledd av University of Birmingham och SUSTech i Kina i samarbete med Paderborn University i Tyskland. Deras resultat publiceras i Vetenskapliga framsteg .

Den kvantteknologi som för närvarande används i avkänningsenheter fungerar genom att finkontrollera laserstrålar för att konstruera och manipulera atomer vid superkalla temperaturer. För att hantera detta, atomerna måste finnas i en vakuumförseglad kammare där de kan kylas till önskade temperaturer.

En viktig utmaning för att miniatyrisera instrumenten är att minska det utrymme som krävs av laserstrålarna, som vanligtvis måste ordnas i tre par, inställda i vinklar. Lasrarna kyler atomerna genom att skjuta fotoner mot den rörliga atomen, sänker dess momentum och kyler därför ner det.

De nya fynden visar hur en ny teknik kan användas för att minska det utrymme som behövs för laserleveranssystemet. Metoden använder enheter som kallas optiska metasytor - tillverkade strukturer som kan användas för att styra ljus.

Ett optiskt chip med metasytor kan utformas för att diffraktera en enda stråle till fem separata, välbalanserade och enhetliga strålar som används för att underkyla atomerna. Detta enda chip kan ersätta de komplexa optiska enheterna som för närvarande utgör kylsystemet.

Metasurface fotoniska enheter har inspirerat en rad nya forskningsaktiviteter under de senaste åren och detta är första gången forskare har kunnat demonstrera dess potential i kalla atom kvantenheter.

Dr Yu-Hung Lien, huvudförfattare till studien, säger:"Uppdraget för UK Quantum Technology Hub är att leverera teknik som kan anammas och användas av industrin. Att designa enheter som är tillräckligt små för att vara portabla eller som kan passa in i industriella processer och metoder är avgörande. Detta nya tillvägagångssätt representerar en ett viktigt steg framåt i detta tillvägagångssätt. "

Teamet har lyckats producera ett optiskt chip som mäter bara 0,5 mm i diameter, vilket resulterar i en plattform för framtida avkänningsenheter som mäter cirka 30 cm i kuber. Nästa steg blir att optimera plattformens storlek och prestanda för att producera maximal känslighet för varje applikation.