Керамика, напечатанная на 3D-принтере, приближает квантовые технологии к реальным приложениям

04.10.2024 От admin 0

Квантовая технология открывает огромные перспективы для преобразования таких областей, как вычисления, связь и сенсорика, используя такие явления, как суперпозиция и запутанность. Однако эти передовые технологии сталкиваются со значительными трудностями при переходе от лабораторных прототипов к практическим, реальным системам. Одно из самых больших препятствий заключается в том, что квантовые устройства невероятно чувствительны к помехам окружающей среды, что часто усугубляется самими материалами, используемыми в их конструкции, такими как металлы.

Усовершенствование квантовых устройств с помощью 3D-печатной керамики

Группа исследователей под руководством Марка Крайста из Института Фердинанда Брауна предложила решение, позволяющее сделать квантовые устройства более стабильными и практичными, заменив традиционные металлические корпуса на 3D-печатную керамику. Исследование Крайста подчеркивает уникальные свойства керамики, такие как электроизоляция, совместимость с вакуумом и термическая стабильность, которые делают ее идеальной для квантовых устройств. Керамика обеспечивает низкую плотность и благоприятное тепловое расширение, уменьшая помехи, которые могут поставить под угрозу производительность устройства.

“Эти свойства позволяют керамике минимизировать помехи, которые могут легко нарушить производительность квантового устройства,” сказал Крайст. Этот сдвиг может сделать квантовые устройства более компактными, надежными и лучше подходящими для реальных приложений.

Преодоление проблем традиционного керамического производства

Хотя керамика имеет явные преимущества для квантовых устройств, ее использование ограничено традиционными методами производства. Производство сложных, мелкомасштабных компонентов для квантовых устройств часто включает дорогостоящую постобработку с помощью алмазных инструментов, что делает его трудоемким и дорогим. Более того, традиционное керамическое производство испытывает трудности с созданием сложных форм, необходимых для квантовых устройств, особенно для систем, которые манипулируют светом для управления квантовыми состояниями.

Чтобы преодолеть эти ограничения, команда Крайста исследовала использование 3D-печати. ​​«В нашем исследовании мы первые, кто использовал 3D-печатную керамику в квантовых устройствах», — объяснил Крайст. Возможность 3D-печати керамических компонентов позволяет производить подробные, функциональные детали намного быстрее и с меньшими затратами, чем традиционные методы.

Прорыв в квантовом считывании с помощью миниатюрных устройств

В недавнем исследовании, опубликованном в Advanced Quantum Technologies, команда Крайста применила 3D-печать для создания миниатюрного устройства, используемого в квантовом зондировании. Это устройство точно выравнивает частоту лазера, чтобы соответствовать переходу между двумя квантовыми состояниями в атоме, что является важнейшей функцией для многих квантовых датчиков. Традиционно эти датчики могут быть размером с микроволновую печь, но керамическая версия, напечатанная на 3D-принтере, уменьшила размер до размеров, сопоставимых с несколькими пенни, веся всего 15 граммов.

3D Printed Ceramics Bring Quantum Technology Closer to Real-World Applications

Вверху: модуль опорной частоты CerAMRef, установленный на элементе Пельтье с использованием винтов PEEK для теплоизоляции. Печатная плата электрически соединяется с фотодиодом и датчиком температуры Pt100, оснащенным операционными усилителями.<br />Внизу: CAD-визуализация, показывающая траекторию луча установки FMS без Доплера, включая волоконный коллиматор (1), PBS (2), заполненную рубидием ячейку для испарения (3), пластину (4), зеркало (5), фокусирующую линзу (6) и фотодиод (7). (Автор изображения: CerAMRef)

«Важно то, что, несмотря на то, что система намного меньше, она все равно работает очень хорошо», — отметил Крист. Оптическое выравнивание в устройстве остается стабильным даже при воздействии механического напряжения или тепла — важная функция для многих квантовых приложений.

3D-принтер команды создает керамические детали слой за слоем, достигая разрешения 40 микрон (меньше человеческого волоса) для исключительной точности. После печати керамические компоненты обжигаются в высокотемпературных печах, что придает им прочность и долговечность традиционно производимой керамики.

Готовность к интеграции в реальный мир

Одним из наиболее многообещающих аспектов этого исследования является то, что технология 3D-печати керамики готова к развертыванию в реальных системах. «Наш оптический опорный частотный генератор готов к использованию в реальных системах», — сказал Крист. Эти миниатюрные компоненты могут быть интегрированы в более крупные устройства, требующие стабилизированных лазерных источников, такие как оптические волномеры, квантовые датчики и квантовые компьютеры. Настраиваемая природа 3D-печатной керамики также позволяет быстро адаптировать ее к различным компонентам, открывая возможности для различных приложений.

Команда Крайста также работает над несколькими другими проектами, включая компактные атомные магнитометры для измерения магнитных полей и миниатюризацию оптических ловушек для холодных атомов, которые могут использоваться для квантового зондирования или в качестве кубитов в квантовых компьютерах.

Будущее миниатюрных, надежных квантовых устройств

Интеграция 3D-печатной керамики в квантовую технологию является значительным шагом вперед в приближении квантовых устройств к повседневным приложениям. Сделав квантовые системы более портативными, долговечными и экономически эффективными в производстве, это исследование может проложить путь к прорывам в квантовых вычислениях, зондировании и коммуникациях. Поскольку эти технологии становятся все более доступными, возможности для инноваций в различных отраслях промышленности безграничны.