Ученые из Рочестерского университета и Рочестерского технологического института разработали новый тип «звукового лазера», который манипулирует крошечными вибрациями на квантовом уровне. Устройство позволит измерять гравитационные силы с беспрецедентной точностью и в будущем может полностью заменить систему GPS. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Начиная с 1960-х годов традиционные лазеры, работающие с фотонами (частицами света), кардинально изменили науку и повседневную жизнь. Однако современная физика выходит за рамки привычной оптики: в новой работе исследователи продемонстрировали устройство, которое берет под контроль фононы — микроскопические квантовые единицы звука и вибрации.
Борьба с тепловым шумом
Первый экспериментальный прототип фононного лазера был создан еще несколько лет назад. Тогда специалистам удалось поймать и заставить левитировать микроскопические вибрации с помощью оптического пинцета в вакууме. Но практическому применению технологии мешала серьезная проблема — естественный тепловой шум, который искажал сигналы и сильно ограничивал точность любых измерений.
Чтобы преодолеть этот барьер, команда применила инновационный физический метод, известный как «сжатие» (squeezing). Воздействуя на фононный лазер световыми импульсами строго определенным образом, разработчики смогли кардинально подавить хаотичные тепловые флуктуации.
Устранение этих помех позволило добиться высочайшей стабильности луча. По словам создателей, новый подход позволяет измерять ускорение и другие физические величины на порядки точнее, чем любые современные методы, основанные на световых лазерах или радиочастотных технологиях.
Навигация будущего без спутников
Резкое снижение уровня шума превращает фононные лазеры в невероятно мощный инструмент для изучения фундаментальных основ Вселенной. Сверхточный контроль над вибрациями открывает ученым новые пути для исследования природы гравитации, движения мельчайших частиц и запутанных квантовых состояний.
Но что еще более важно для повседневной жизни — эта технология может стать основой для автономных навигационных систем нового поколения. Физики уже давно разрабатывают концепцию «квантовых компасов» — высокоточных устройств, которые невозможно заглушить искусственными помехами. В отличие от привычного GPS, такие компасы не будут нуждаться в сигнале с космических спутников, а внедрение усовершенствованного фононного лазера делает появление этой футуристической технологии реальным.
