Avançando além do GPS: o potencial dos chips fotônicos quânticos na transformação da navegação por drones

por Tatsuya Nakamura
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Quantum Photonic Chips in Drone Navigation

Os pesquisadores estão trabalhando na utilização do conceito de amplificação de valor fraco na mecânica quântica para substituir os giroscópios na tecnologia de drones.

Cientistas da Universidade de Rochester estão no processo de criação de chips fotônicos projetados para substituir os giroscópios atualmente empregados em veículos aéreos não tripulados (UAVs). O objetivo é facilitar a navegação de drones em ambientes onde os sinais de GPS estão obstruídos ou inexistentes. Ao aproveitar uma metodologia quântica conhecida como amplificação de valor fraco, a equipe de pesquisa aspira alcançar o mesmo nível de sensibilidade dos giroscópios ópticos convencionais, mas dentro do formato compacto dos chips fotônicos portáteis. Isto poderia alterar fundamentalmente os sistemas de navegação utilizados nos drones.

Financiamento e obstáculos na tecnologia do giroscópio

Jaime Cardenas, professor associado do Instituto de Óptica, recebeu uma nova bolsa da National Science Foundation para promover o desenvolvimento deste chip fotônico até o ano de 2026. Cardenas destaca que os giroscópios de fibra óptica atualmente em uso em drones de última geração muitas vezes contêm carretéis de fibra com quilômetros de comprimento ou possuem uma faixa dinâmica restrita.

A pesquisa, apoiada pela National Science Foundation, visa desenvolver esses chips fotônicos usando amplificação de valor fraco como método para substituir os giroscópios mecânicos tradicionais em UAVs. Crédito da foto: Universidade de Rochester / J. Adam Fenster

“No paradigma existente, existe uma compensação intrínseca entre a sensibilidade e a estabilidade do giroscópio versus as suas dimensões e peso”, afirma Cardenas. “À medida que UAVs, drones e satélites se tornam cada vez mais compactos e difundidos, espera-se que a demanda por giroscópios ultrapequenos para navegação aumente significativamente. Embora os atuais giroscópios miniaturizados de última geração sejam compactos e robustos, eles enfrentam uma lacuna de desempenho que limita sua aplicabilidade em sistemas de navegação.”

O papel da amplificação de valor fraco e dos esforços colaborativos

Cardenas elucida que a amplificação de valor fraco traz benefícios em relação às técnicas tradicionais, amplificando o sinal em medições interferométricas sem incorrer nos custos associados à elevação de vários tipos de ruído técnico. Tentativas anteriores de implementar amplificação de valores fracos exigiram configurações laboratoriais elaboradas com alinhamentos exatos. No entanto, Cardenas está determinado a incorporar esta técnica quântica em um minúsculo chip fotônico equipado com um ressonador de anel de fator de alta qualidade.

Colaborando com Cardenas nesta iniciativa de pesquisa está o físico Andrew Jordan, que anteriormente era afiliado à Universidade de Rochester e agora é membro do corpo docente da Universidade Chapman. Além disso, Cardenas planeja colaborar com o Centro David T. Kearns para Liderança e Diversidade da Universidade. O objetivo é ampliar o envolvimento de grupos marginalizados, oferecendo experiências de pesquisa a alunos do ensino médio do Distrito Escolar da Cidade de Rochester, com a intenção de estimular seu interesse pelas carreiras STEM.

Perguntas frequentes (FAQs) sobre chips fotônicos quânticos na navegação de drones

Qual é o foco principal da pesquisa na Universidade de Rochester?

O foco principal está no desenvolvimento de chips fotônicos projetados para substituir os giroscópios tradicionais em veículos aéreos não tripulados (UAVs) ou drones. Esses chips visam permitir a navegação por drones em ambientes onde os sinais de GPS não estão disponíveis ou estão bloqueados. Os pesquisadores estão usando uma técnica quântica chamada amplificação de valor fraco para atingir esse objetivo.

Quem está liderando esta pesquisa e qual é a fonte de financiamento?

A pesquisa está sendo liderada por Jaime Cardenas, professor associado do Instituto de Óptica da Universidade de Rochester. O projeto é financiado por uma bolsa da National Science Foundation, que deverá apoiar a pesquisa até 2026.

Que desafios são enfrentados pela atual tecnologia giroscópica em drones?

A tecnologia giroscópica atual enfrenta um compromisso entre sensibilidade e estabilidade, de um lado, e tamanho e peso, do outro. À medida que os UAVs e drones se tornam menores e mais difundidos, há uma necessidade crescente de giroscópios ultrapequenos para navegação. Os giroscópios miniaturizados existentes, embora compactos e robustos, sofrem de uma lacuna de desempenho que limita a sua utilidade em sistemas de navegação.

Como a amplificação de valor fraco difere dos métodos tradicionais?

A amplificação de valor fraco oferece a vantagem de aumentar o sinal em medições interferométricas sem a desvantagem de amplificar vários tipos de ruído técnico. Os métodos tradicionais geralmente exigem configurações laboratoriais elaboradas com alinhamentos precisos, mas os pesquisadores pretendem implementar amplificação de valor fraco em um chip fotônico compacto com um ressonador de anel de fator de alta qualidade.

Quem são os colaboradores deste projeto?

O físico Andrew Jordan, ex-membro do corpo docente da Universidade de Rochester e agora da Chapman University, está colaborando nesta pesquisa. Além disso, Jaime Cardenas planeja trabalhar com o Centro David T. Kearns para Liderança e Diversidade para envolver grupos sub-representados, oferecendo experiências de pesquisa a estudantes do ensino médio do Distrito Escolar da Cidade de Rochester.

Qual é o impacto mais amplo desta pesquisa?

A pesquisa tem potencial para revolucionar a navegação por drones, tornando-a mais confiável e versátil, especialmente em ambientes onde o GPS não está disponível ou está comprometido. Também poderia abrir caminho para avanços em outros campos que dependem de navegação precisa, como satélites. Além disso, ao envolver grupos sub-representados na investigação, o projeto visa incentivar uma futura força de trabalho mais diversificada nas áreas STEM.

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