Nový kvantový gravitační senzor vidí pod zem jako ostříž

V současné době víme lépe, co je pod ledem v Antarktidě, než co se skrývá pod ulicemi našich měst. Dramatickou změnu by mohl přinést kvantový gravitační gradiometr, který je levnější, rychlejší a spolehlivější než dostupné alternativy. Nedávno prošel úspěšným testem v terénu, při němž odhalil tunel ukrytý metr pod zemí.

Uspořádání experimentu s novým senzorem. Kredit: Stray et al. (2022), Nature.

Podzemí představuje celý svět, který je skrytý před našimi zraky a neustále nás dráždí. Mohli bychom si ho detailně prohlédnout, kdybychom Zemi úhledně přeřízli, jako třeba stonek přesličky. Není to ale možné, takže jsme odkázáni na jiné metody.

Jedna z nových metod tohoto druhu byla nedávno prověřena v terénu. Fyzik Kai Bongs z britské University of Birmingham a jeho kolegové před časem vyvinuli zařízení zvané kvantový gravitační gradiometr, a teď s ním objevili tunel, který byl skrytý asi 1 metr pod zemí.

Typické gravitační senzory fungují tak, že analyzují nepatrné rozdíly v parametrech identických světelných vln. Tento postup je vhodný pro velké struktury v podzemí. U menších objektů ale práci gravitačních senzorů ztěžují chvění a otřesy okolní země, vliv vybavení nebo i náhodné tepelné vibrace.

Kvantový gravitační senzor k tomu přidává filtr, který využívá vlnovou povahu atomů, jejichž ultrachladné oblaky padají volným pádem. Tento kvantový trik dramaticky zlepšuje rozlišení senzoru. Téměř nepostřehnutelný vliv gravitace na tyto atomy ve svém důsledku odhalí strukturu podzemí, včetně tunelů a podobných objektů.

Kai Bongs. Kredit: University of Birmingham.

Podle Bongse je to doslova „Edisonovský moment“ v oblasti senzorů, který by mohl proměnit mnoho věcí. S kvantovým gravitačním senzorem podle něj bude možné skoncovat s nepříjemnou závislostí na historických záznamech různého data, které obsahují informaci o tom, co je kde uloženo v zemi. Kvantový gravitační senzor by měl ukončit stresující situaci, kdy víme víc o tom, co je pod ledem v Antarktidě, než co je pod povrchem ulic našich měst.

Logo. Kredit: University of Birmingham.

Nové zařízení je vlastně atomový interferometr. Tato zařízení se vyvíjejí přes 20 let. V tomto případě byla zásadní překážkou jeho velikost. Kvantový gravitační senzor bylo nutné zmenšit, aby byl prakticky použitelný v terénu. Možných využití se nabízí ohromné množství. Uplatní se při kopání nové trasy metra či základů rozmanitých budov a komunikací, při archeologickém výzkumu nebo třeba při předpovídání vulkanických erupcí. Kvantový gravitační senzor je rovněž levnější, rychlejší a spolehlivější než dostupné alternativy.

Vývoj zařízení nadále pokračuje. Jeho tvůrci jsou si jistí, že v dohledné době bude ještě lépe přenosný a více uživatelsky příjemný. Jsou také přesvědčeni, že s dalším výzkumem by se mohl stát až stokrát citlivějším. Během příštích 5 až 10 let by se takto citlivé senzory mohly objevit v podobě komerčních přístrojů.

Video: Autumn 2020 virtual conference QUANTUM Day - Prof Kai Bongs, University of Birmingham