Fortschritte über GPS hinaus: Das Potenzial quantenphotonischer Chips bei der Transformation der Drohnennavigation

von Tatsuya Nakamura
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Quantum Photonic Chips in Drone Navigation

Forscher arbeiten daran, das Konzept der Schwachwertverstärkung in der Quantenmechanik zu nutzen, um Gyroskope in der Drohnentechnologie zu ersetzen.

Wissenschaftler der Universität Rochester sind dabei, photonische Chips zu entwickeln, die die Gyroskope ersetzen sollen, die derzeit in unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) eingesetzt werden. Ziel ist es, die Navigation von Drohnen in Umgebungen zu erleichtern, in denen GPS-Signale entweder behindert oder nicht vorhanden sind. Durch den Einsatz einer Quantenmethode namens Schwachwertverstärkung strebt das Forschungsteam danach, die gleiche Empfindlichkeit wie herkömmliche optische Massengyroskope zu erreichen, jedoch innerhalb des kompakten Formfaktors handgehaltener photonischer Chips. Dies könnte die Navigationssysteme von Drohnen grundlegend verändern.

Finanzierung und Hindernisse in der Gyroskoptechnologie

Jaime Cardenas, außerordentlicher Professor am Institut für Optik, hat von der National Science Foundation ein neues Stipendium erhalten, um die Entwicklung dieser photonischen Chips bis zum Jahr 2026 voranzutreiben. Cardenas weist darauf hin, dass die Glasfasergyroskope derzeit in hochmodernen Drohnen verwendet werden enthalten oft kilometerlange Faserspulen oder verfügen über einen eingeschränkten Dynamikbereich.

Die von der National Science Foundation unterstützte Forschung zielt darauf ab, diese photonischen Chips mithilfe der Schwachwertverstärkung als Methode zu entwickeln, um herkömmliche mechanische Gyroskope in UAVs zu ersetzen. Bildnachweis: University of Rochester / J. Adam Fenster

„Im bestehenden Paradigma gibt es einen inneren Kompromiss zwischen der Empfindlichkeit und Stabilität des Gyroskops gegenüber seinen Abmessungen und seinem Gewicht“, erklärt Cardenas. „Da UAVs, Drohnen und Satelliten immer kompakter und verbreiteter werden, wird die Nachfrage nach ultrakleinen Gyroskopen für die Navigation voraussichtlich erheblich steigen. Obwohl die aktuellen hochmodernen miniaturisierten Gyroskope sowohl kompakt als auch robust sind, weisen sie einen Leistungsmangel auf, der ihre Anwendbarkeit in Navigationssystemen einschränkt.“

Die Rolle schwacher Wertverstärkung und gemeinschaftlicher Bemühungen

Cardenas erläutert, dass die Schwachwertverstärkung Vorteile gegenüber herkömmlichen Techniken bietet, indem sie das Signal bei interferometrischen Messungen verstärkt, ohne dass die Kosten entstehen, die mit der Erhöhung verschiedener Arten von technischem Rauschen verbunden sind. Frühere Versuche zur Implementierung einer Schwachwertverstärkung erforderten aufwändige Laborkonfigurationen mit exakten Ausrichtungen. Cardenas ist jedoch entschlossen, diese Quantentechnik in einen winzigen photonischen Chip zu integrieren, der mit einem hochwertigen Faktor-Ringresonator ausgestattet ist.

Bei dieser Forschungsinitiative arbeitet der Physiker Andrew Jordan mit Cardenas zusammen, der früher an der University of Rochester tätig war und jetzt Fakultätsmitglied an der Chapman University ist. Darüber hinaus plant Cardenas eine Zusammenarbeit mit dem David T. Kearns Center for Leadership and Diversity an der Universität. Ziel ist es, die Beteiligung marginalisierter Gruppen durch das Angebot von Forschungserfahrungen für Oberstufenschüler aus dem Rochester City School District zu erweitern, um ihr Interesse an MINT-Berufen zu fördern.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zu quantenphotonischen Chips in der Drohnennavigation

Was ist der Hauptschwerpunkt der Forschung an der University of Rochester?

Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung photonischer Chips, die herkömmliche Gyroskope in unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) oder Drohnen ersetzen sollen. Diese Chips sollen die Drohnennavigation in Umgebungen ermöglichen, in denen GPS-Signale nicht verfügbar oder gestört sind. Um dieses Ziel zu erreichen, nutzen die Forscher eine Quantentechnik namens Schwachwertverstärkung.

Wer leitet diese Forschung und was ist die Finanzierungsquelle?

Die Forschung wird von Jaime Cardenas geleitet, einem außerordentlichen Professor am Institut für Optik der Universität Rochester. Das Projekt wird durch einen Zuschuss der National Science Foundation finanziert, der die Forschung voraussichtlich bis zum Jahr 2026 unterstützen wird.

Vor welchen Herausforderungen steht die aktuelle Kreiseltechnologie in Drohnen?

Die derzeitige Kreiseltechnologie steht vor einem Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Stabilität auf der einen Seite und Größe und Gewicht auf der anderen Seite. Da UAVs und Drohnen immer kleiner und weiter verbreitet werden, besteht ein zunehmender Bedarf an ultrakleinen Gyroskopen in Navigationsqualität. Bestehende miniaturisierte Gyroskope sind zwar kompakt und robust, weisen jedoch Leistungslücken auf, die ihren Nutzen in Navigationssystemen einschränken.

Wie unterscheidet sich die Verstärkung schwacher Werte von herkömmlichen Methoden?

Die schwache Verstärkung bietet den Vorteil, das Signal bei interferometrischen Messungen zu verstärken, ohne den Nachteil der Verstärkung verschiedener Arten von technischem Rauschen. Herkömmliche Methoden erfordern im Allgemeinen aufwändige Laboraufbauten mit präzisen Ausrichtungen, aber die Forscher zielen darauf ab, eine schwache Verstärkung auf einem kompakten photonischen Chip mit einem Ringresonator mit hochwertigem Faktor zu implementieren.

Wer sind die Mitarbeiter dieses Projekts?

Der Physiker Andrew Jordan, früher Fakultätsmitglied an der University of Rochester und jetzt an der Chapman University, arbeitet an dieser Forschung mit. Darüber hinaus plant Jaime Cardenas eine Zusammenarbeit mit dem David T. Kearns Center for Leadership and Diversity, um unterrepräsentierte Gruppen einzubinden, indem er Oberstufenschülern aus dem Rochester City School District Forschungserfahrungen bietet.

Welche weiteren Auswirkungen hat diese Forschung?

Die Forschung hat das Potenzial, die Drohnennavigation zu revolutionieren, indem sie sie zuverlässiger und vielseitiger macht, insbesondere in Umgebungen, in denen GPS nicht verfügbar oder beeinträchtigt ist. Es könnte auch den Weg für Fortschritte in anderen Bereichen ebnen, die auf präzise Navigation angewiesen sind, beispielsweise bei Satelliten. Darüber hinaus zielt das Projekt darauf ab, durch die Einbeziehung unterrepräsentierter Gruppen in die Forschung eine vielfältigere künftige Belegschaft in den MINT-Bereichen zu fördern.

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