A Next-Generation Absolute Quantum Gyroscope using Ultra-Cold Atoms

使用超冷原子的下一代绝对量子陀螺仪

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2021-02629
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.4万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2022-01-01 至 2023-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Positioning, guidance, and navigation heavily rely on state-of-the-art accelerometers and gyroscopes. The accuracy of autonomous inertial navigation systems is limited by the bias stability of optical gyroscopes. These devices measure rotation rates via the Sagnac interference between light beams traveling in opposite directions in a rotating loop, and are essential to several markets including the defense, aviation, and space industries. Atomic gyroscopes that utilize matter-wave interference offer a promising alternative. Due to their massive internal energy, an atom's sensitivity to rotations is 1011 times greater than that of a visible photon. Yet, the challenge of realizing a high-precision absolute quantum gyroscope has not yet been achieved. My research program will develop a next-generation absolute quantum gyroscope capable of measuring rotation rates below 10-10 rad/s. The short-term objectives of this program, which form the building blocks of a novel quantum technology, are as follows: 1. Multidimensional atom optics: new techniques to simultaneously diffract atoms along multiple spatial dimensions will be implemented-enabling the construction of 2D and 3D matter-wave interferometers with multi-axis inertial sensitivity. 2. Multi-loop interferometry: multi-loop interferometer geometries with large enclosed areas will be used to enhance the performance. 3. Absolute scale factor: a rotation signal with a scale factor accuracy of 1 part in 109 will be demonstrated. 4. Compact sensor head: utilizing large-momentum transfer optical pulses, along with an "optical trampoline" in which atoms coherently bounce in a small region, my group will enhance the sensitivity of the atomic gyroscope in a compact volume-laying the groundwork for future commercialization. 5. Suppression of systematic effects: sources of bias related to the atoms initial velocity and acceleration will be suppressed by several orders of magnitude. Achieving these objectives will require the construction of a state-of-the-art instrument capable of producing ultra-cold atoms that are coherently manipulated in a large-area matter-wave interferometer. This work will kick-start a new laboratory for quantum sensing and ultra-cold matter physics at the University of New Brunswick-creating unique opportunities for research and training of highly-qualified personnel. The radical long-term objective of this research program is to develop high-performance miniature quantum sensors that can be integrated with commercial navigation systems-leading to long-term satellite-free positioning. This program directly contributes to NSERC's strategic objective to foster early-stage research with a high potential for commercialization, and to establish a leading role for Canada in the development of quantum technology. Its success will strongly impact the multi-billion-dollar industry of positioning and navigation, as well as applications in geophysics, rotational seismology, and space science.
定位,指导和导航在很大程度上依赖于最先进的加速度计和陀螺仪。自主惯性导航系统的准确性受到光学陀螺仪的偏置稳定性的限制。这些设备通过旋转环中朝相反方向行驶的光束之间的SAGNAC干扰测量旋转速率,对于包括国防,航空和太空工业在内的几个市场至关重要。利用物质波干扰的原子陀螺仪提供了一种承诺的选择。由于它们的大量内部能量,原子对旋转的敏感性比可见光子高1011倍。然而,尚未实现高精度绝对陀螺仪的挑战。我的研究计划将开发下一代绝对量子陀螺仪,能够测量低于10-10 rad/s的旋转速率。该程序的短期目标构成了新型量子技术的构建基础,如下:1。多维原子光学:沿多个空间维度同时衍射原子的新技术将实现,以实现2D和3D问题的构建2D和3D Matter-Wave Intertemers具有多型轴轴承固有敏感性。 2。多环干涉法:具有较大封闭区域的多环干涉仪的几何形状将用于增强性能。 3。绝对尺度因子:将证明具有比例因子精度为1部分的旋转信号在109中。 4。紧凑型传感器头:利用大摩肌转移光脉冲,以及“光学转胸”,其中原子在一个小区域中相干反弹,我的组将增强原子陀螺仪在紧凑型体积中的敏感性,从而在未来的商业化方面延伸。 5。抑制系统效应:与原子初始速度和加速度相关的偏差来源将被几个数量级抑制。实现这些目标将需要建造能够产生在大区块物质波干涉仪中连贯操纵的超冷原子的最先进的仪器。这项工作将在新不伦瑞克省大学创造的独特机会研究和培训高素质的人员的独特机会上开始一个新的实验室,用于量子传感和超冷物理学。该研究计划的根本长期目标是开发高性能的微型量子传感器,这些传感器可以与商业导航系统领导的长期无卫星定位集成在一起。该计划直接有助于NSERC的战略目标,以培养具有很高商业化潜力的早期研究,并为加拿大在量子技术的发展中发挥主要作用。它的成功将强烈影响数十亿美元的定位和导航行业,以及地球物理,旋转地震学和太空科学的应用。

项目成果

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