Bússola quântica: A mãe de todos os sensores

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/08/2024

Modulador fotônico de silício de alto desempenho viabiliza a interferometria de átomos frios em equipamento miniaturizado.
[Imagem: Ashok Kodigala et al. - 10.1126/sciadv.ade4454]

Interferômetro atômico

Enquanto a NASA estreia seu interferômetro atômico espacial, que usa ondas de matéria para medir a gravidade e outras forças, pesquisadores apresentaram uma nova versão da mesma tecnologia para uso terrestre, mas com uma vantagem imbatível: Todo o aparato é ultraminiaturizado, cabendo dentro de um chip.

Desmonte um celular, um contador de passos ou óculos de realidade virtual, e dentro de todos eles você encontrará um pequeno sensor rastreando seu movimento e sua posição. Versões maiores e mais caras da mesma tecnologia, pouco maiores do que uma laranja, mas mil vezes mais precisas, permitem que navios, aviões e outros veículos naveguem com assistência dos satélites de posicionamento global.

Ashok Kodigala e colegas do Laboratório Nacional Sandia, nos EUA, usaram agora componentes fotônicos de silício para fazer a mesma coisa de modo melhor, executando uma técnica de detecção quântica chamada interferometria atômica, uma maneira ultraprecisa de medir várias forças, incluindo a aceleração e o movimento.

E não é só miniaturização: A inovação feita agora nesses sensores promete mudanças radicais, como o desenvolvimento de um tipo de bússola quântica, um conceito que permitirá a navegação até mesmo quando os sinais de GPS não estiverem disponíveis.

"Ao tirar proveito dos princípios da mecânica quântica, esses sensores avançados fornecem precisão incomparável na medição de aceleração e velocidade angular, permitindo uma navegação precisa mesmo em áreas sem GPS," reforçou o pesquisador Jongmin Lee, coordenador da equipe.

O chip modulador fotônico de quatro canais, medindo 8 milímetros de cada lado e marcado com o logotipo verde, fica dentro de uma embalagem que incorpora fibras ópticas, fios elétricos e pinos de cerâmica.
[Imagem: Craig Fritz]

De uma sala para um chip

Normalmente, um interferômetro atômico é um sistema de sensor do tamanho de uma sala. Uma bússola quântica completa - mais precisamente chamada de unidade de medição inercial quântica - exigiria seis interferômetros atômicos.

Mas a equipe encontrou maneiras de reduzir seu tamanho, peso e consumo de energia. Eles já substituíram uma bomba de vácuo grande e faminta por energia por uma câmara de vácuo pouco maior que uma laranja, e consolidaram inúmeros componentes, geralmente dispostos delicadamente em uma mesa óptica, por um único aparelho rígido.

Agora eles desenvolveram um modulador fotônico de silício, um componente que controla a luz dentro de um microchip, que substitui um sistema de laser convencional do tamanho de uma geladeira. Sem contar que o chip é resistente o suficiente para suportar vibrações que tornariam a "geladeira" inútil, e que um chip é várias ordens de grandeza mais barato do que um equipamento de grande porte.

Aqui também há ganhos além da miniaturização: Os moduladores geralmente criam ecos indesejados, chamados bandas laterais, que precisam ser atenuados. O novo modulador reduz essas bandas laterais em 47,8 decibéis, um número sem precedentes, resultando em uma queda de quase 100.000 vezes na geração desse ruído - essa é uma unidade mais frequentemente usada para descrever a intensidade do som, mas ela também aplicável à intensidade da luz.

A equipe chama sua tecnologia de bússola quântica.
[Imagem: Ashok Kodigala et al. - 10.1126/sciadv.ade4454]

Bússola quântica

Conforme essa tecnologia se aproxima da prontidão para uso em campo, a equipe está explorando outros usos além da navegação.

Os pesquisadores estão investigando se o interferômetro atômico poderia ajudar a localizar cavidades subterrâneas e recursos minerais detectando as pequenas mudanças que diferentes rochas fazem na força gravitacional da Terra. Eles também veem potencial para os componentes ópticos que inventaram, incluindo o modulador, nos radares de luz (LIDAR), na computação quântica e nas comunicações ópticas.

O grande plano da equipe - transformar os interferômetros atômicos em uma bússola quântica compacta - preenche a lacuna entre a pesquisa básica em instituições acadêmicas e o desenvolvimento comercial em empresas de tecnologia. Um interferômetro atômico é uma tecnologia comprovada nos laboratórios que pode ser uma excelente ferramenta para navegação negada nas ruas e estradas. Para isso, a equipe planeja torná-lo mais estável, testá-lo em condições reais em campo e baixar seu custo.

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