حسگر گرانش کوانتومی راه را برای نقشه برداری پیشگامانه جهان از زیر سطح زمین هموار می کند

این مقاله توسط دانشگاه بیرمنگام منتشر شده است.
فناوری کوانتومی می تواند هر چیزی را که در زیر زمین پنهان شده است ، آشکار کند .این همان نقطه عطفی است که مدت ها در انتظار آن بودیم و پیامدهای عمیقی برای صنعت، دانش انسانی و امنیت ملی دارد.
محققان دانشگاه بیرمنگام از مرکز ملی فناوری کوانتومی بریتانیا در زمینه حسگرها و زمان‌بندی دستاوردهای خود در طبیعت گزارش داده اند. این اولین دستگاه *گرادیومتر گرانشی کوانتومی در خارج از شرایط آزمایشگاهی در جهان است.
(* گرادیومتر : گرادیومترها حاصل پیشرفت در صنعت کاوش مغناطیس‌سنجی هستند و برخلاف مگنتومترهای ابتدایی که فقط متشکل از یک سنسور بودند. در ساخت گرادیومتر از دو یا چند سنسور استفاده می‌کنند. و بجای اندازه‌گیری شدت میدان مغناطیسی، تغییرات میدان مغناطیسی در یک نقطه را ثبت می‌نمایند.)
گرادیومتر گرانشی کوانتومی، تحت قراردادی برای وزارت دفاع بریتانیا و تحت پروژه "گرانش پیشگام (Gravity Pioneer) "با بودجه سازمان تحقیق و نوآوری انگلستان (UKRI) ساخته شده است . از این گرادیومتر برای کشف تونلی که در فضای باز و در شرایط واقعی یک متر زیر سطح زمین مدفون شده بود، استفاده شد و در یک مسابقه بین المللی در زمینه فناوری اکتشاف پیروز شد.
این حسگر با تشخیص تغییرات کوچک گرانشی با استفاده از اصول فیزیک کوانتومی کار می‌کند که مبتنی بر دستکاری طبیعت در سطح زیر مولکولی است.
این موفقیت ، یک مسیر تجاری را برای بهبود چشمگیر نقشه برداری از آنچه در زیر سطح زمین وجود دارد، باز می کند. و به این معنی خواهد بود:
• کاهش هزینه ها و کاهش تاخیر در پروژه های ساختمانی، ریلی و جاده ای.
• بهبود پیش بینی پدیده های طبیعی مانند فوران های آتشفشانی.
• کشف منابع طبیعی پنهان و سازه های ساخته شده.
• درک اسرار باستان شناسی بدون آسیب های حفاری.
پروفسور کای بونگز، رئیس فیزیک* اتم سرد در دانشگاه بیرمنگام و محقق اصلی حسگرها و زمان‌بندی مرکز فناوری کوانتومی بریتانیا، می گوید: «این یک *"لحظه ناب" در سنجش است که جامعه، درک انسانی و اقتصاد را متحول می‌کند. با این پیشرفت، ما این پتانسیل را داریم که از اتکا به رکوردهای ضعیف و شانس در حین اکتشاف ساخت و تعمیر دست برداریم. علاوه بر این، اکنون یک گام بزرگ به سمت تهیۀ یک نقشه زیرزمینی از آنچه در حال حاضر نامرئی است، نزدیک‌تر شده ایم، و تهیه این نقشه به این وضعیت پایان می دهد که در آن بیشتر درباره قطب جنوب می‌دانیم تا چیزهایی که چند فوت با ما فاصله دارند و در زیر خیابان‌هایمان هستند.»
(*اتم ‌سرد : اتم‌هایی هستند که در دمای نزدیک به صفر کلوین و معمولاً زیر چندین ده میکروکلوین حفظ می‌شوند و این دقیقا همان دمایی است که خصوصیات مکانیک کوانتوم اتم‌ها در آنها پدیدار می‌شود. )
(* لحظه ناب ، منظور پروفسور کای از این جمله است ولی در اصل اشاره به واژه Edison moment  دارد که نامی است که برای این حسگر کوانتومی انتخاب کرده اند )
حسگرهای گرانشی فعلی توسط طیف وسیعی از عوامل محیطی محدود می شوند. یک چالش خاص ، "ارتعاش" است که زمان اندازه گیری همه حسگرهای گرانشی را برای برنامه های بررسی محدود می کند. اگر بتوان این محدودیت ها را برطرف کرد، نقشه برداری ها می توانند سریع تر، جامع تر و با هزینه کمتری انجام شوند.
حسگر گرانش کوانتومی چگونه کار می کند؟
هنگامی که توده ای از اتم ها رها می شوند، حسگر گرانش کوانتومی تغییرات جزئی در قدرت میدان های گرانشی را تشخیص می دهد. هر چه تفاوت قابل اندازه‌گیری در کشش قوی‌تر باشد، آیتم بزرگ‌تر و اختلاف چگالی بین جسم و محیط اطراف آن بیشتر می‌شود. اما تبدیل نظریه کوانتومی به کاربردهای عملی به دلیل ارتعاش، شیب ابزار  و اختلال ناشی از نیروهای مغناطیسی و حرارتی دشوار بوده است. این سنسور کوانتومی پیشگام از دانشگاه بیرمنگام اولین حسگری است که با این مشکلات به صورت عملی مقابله می کند و اسکنی با وضوح فضایی بالا را انجام می دهد. پس از حذف نویزهای مربوط به ارتعاش، نقشه برداری گرانشی با وضوح فضایی بالا امکان پذیر خواهد بود.
حسگر توسعه یافته توسط دکتر مایکل هولینسکی، رئیس تداخل سنجی اتمی در دانشگاه بیرمنگام و نویسنده اصلی این مطالعه، و تیم همراهش در بیرمنگام،  یک گرادیومتر گرانشی است. سیستم آنها بر ارتعاشات و انواع دیگر چالش های محیطی غلبه می کند تا از فناوری کوانتومی با موفقیت در این زمینه استفاده کند.
این کشف موفقیت آمیز، که با همکاری مهندسان عمران به رهبری پروفسور نیکول متجی از دانشکده مهندسی، محقق شد، نقطه اوج یک برنامه توسعه بلندمدت است که از همان ابتدا ارتباط نزدیکی با کاربران نهایی خود داشته است.
این پیشرفت به بررسی‌های گرانشی آینده امکان می‌دهد ارزان‌تر، قابل اطمینان‌تر و 10 برابر سریع‌تر انجام شوند و زمان مورد نیاز برای این بررسی‌ها را از یک ماه به چند روز کاهش می‌دهد.همچنین این پتانسیل را دارد که طیف وسیعی از برنامه های کاربردی جدید را برای بررسی گرانشی باز کند و بینش جدیدی را از زیرزمین ارائه دهد.
پروفسور جورج تاکول، مدیر علوم زمین شناسی و مهندسی در شرکت RSK، می گوید: «تشخیص شرایط زمین، مانند عملیات معدن، تونل‌ها و ناپایداری زمین برای توانایی ما در طراحی، ساخت و نگهداری مسکن، صنعت و زیرساخت ، اساسی است. قابلیت بهبود یافته ای که این فناوری جدید نشان می دهد می تواند نحوه نقشه برداری از زمین و ارائه این پروژه ها را تغییر دهد.»
دکتر گرت براون، مسئول فنی پروژه مشترک برای سنجش کوانتومی و دانشمند ارشد در آزمایشگاه علوم و فناوری دفاعی بریتانیا، می گوید: «برای دفاع و امنیت ملی، اندازه‌گیری‌های دقیق و سریع تغییرات کوچک گرانش، فرصت‌های جدیدی را برای شناسایی موارد غیرقابل شناسایی و جهت‌یابی ایمن‌تر در محیط های چالش برانگیز باز می‌کند. با بلوغ فن آوری سنجش جاذبه، کاربردهای ناوبری زیر آب و آشکارسازی زیر زمین ممکن خواهد شد .»
مرجع: مقاله "حسگر کوانتومی برای نقشه برداری گرانشی" ارائه شده توسط بن استری، اندرو لمب، آیشا کاوشیک، جیمی ووروش، آنتونی راجرز، جاناتان وینچ، فرزاد حیاتی، دانیل بودیس، آرتور استابراوا، الکساندر نیگباوم، مهدی لانگلویس، یو هونگ لین، ساموئل لولو ساناز روشن منش، کوین ریدلی، جفری دی ویلیرز، گرت براون، ترور کراس، جورج تاکول، اسعد فرامرزی، نیکول متجه، کای بونگس و مایکل هولینسکی، 23 فوریه 2022،در * مجله هفتگی معتبر Nature
(*مجله نیچر : یک نشریه هفتگی جامع بریتانیایی است که در میان پرارزش‌ترین مجله‌های علمی جهان قرار دارد.)
شماره مقاله :https://doi.org/10.1038/s41586-021-04315-3
این دستاورد، حاصل همکاری بین دانشگاه بیرمنگام ، شرکت RSK ارائه‌دهنده راه‌حل‌های زیست‌محیطی، مهندسی و پایداری ، و آزمایشگاه علوم و فناوری دفاعی که بخشی از وزارت دفاع بریتانیاست و نیز شرکت فناوری Teledyne   e2v  می باشد. این پروژه توسط سازمان تحقیقات و نوآوری بریتانیا (UKRI) به عنوان بخشی از برنامه ملی فناوری‌های کوانتومی بریتانیا و تحت قراردادی با وزارت دفاع تامین بودجه می‌شود.