Chip-scale Atomic Systems for a Quantum Navigator

用于量子导航器的芯片级原子系统

基本信息

  • 批准号:
    EP/X012689/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 1131.99万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2023 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Our vision is to pioneer a mobile phone sized quantum navigator by combining chip-scale quantum clocks, accelerometers and rotation sensors (gyroscopes) that can be manufactured on silicon chips to be used for position, navigation and timing without reliance on signals from satellites. Our aim is to improve satellite-free navigator accuracy compared to present marine grade commercial systems by at least x10 with over a x100 reduction in size, weight, power and cost enabled through the development of new science approaches. An analogy is Harrison's pocket watch, H4, that won the Longitude Prize in 1773 as the small size reduced the uncertainties from temperature and acceleration drifts on navy ships.Society navigates using satnavs in vehicles and mobile phones but the nano-Watt signals are easy to jam, spoof and do not work inside buildings, under the ocean or underground. Spoofing and jamming are also used by pirates to steal ships, people traffickers and organised crime to hid illegal behaviour, and in military conflict zones to limit situational awareness of opponents.Resilient navigation without satellites uses dead reckoning where the current position from a previously determined reference is calculated using time, velocity, acceleration and rotation measurements. The UK Government recommends all position, navigation and timing for national security and critical national infrastructure can operate for greater than 3 days without updated references from satellites. The UK Government Blackett Review on Global Navigation Satellite Signals (GNSS) Dependencies and Vulnerabilities states that 5 days loss of satellite navigation has a potential loss of £5.2Bn to the UK economy.MOD, US DARPA, the European Defence Fund and the Connected Places Catapult indicates that national security and autonomous vehicle markets require far smaller, more accurate, robust and cheaper position, navigation and timing solutions such as the quantum chip-scale systems we proposed to develop. Connected and autonomous vehicles are predicted to create a £100 Bn global market for resilient position, navigation and timing systems with £2.7Bn GVA to the UK economy (>23,400 direct and 14,600 indirect UK jobs) by 2035. This research is key underpinning work to enable that market by developing UK supply chains with industry for practical position, navigation and timing systems.Quantum rotation sensors / gyroscopes have experimentally demonstrated drift stability performance 65 times better than optical gyroscopes with theoretical performance calculated to be 20,000 times better. Quantum accelerometers have experimentally demonstrated drift stability 4 orders of magnitude superior to classical accelerometers with hybrid systems also showing improvements of x80. At present these demonstrated quantum sensors are difficult to scale below 50 kg and something about the size of a washing machine. This project aims to take photonic integrated circuit and MEMS technologies to develop chip-scale atomic clocks, quantum rotation sensors / gyroscopes and quantum accelerometers to build much smaller and more practical quantum navigators that will have many applications and benefits to UK and global society.
我们的愿景是通过结合芯片级量子时钟、加速度计和旋转传感器(陀螺仪)来开创手机大小的量子导航器,这些传感器可以在硅芯片上制造,用于定位、导航和计时,而不依赖于来自卫星目标的信号。与目前的海洋级商业系统相比,无卫星导航仪的精度至少提高 10 倍,通过开发新的科学方法,尺寸、重量、功率和成本减少 100 倍以上。哈里森的怀表 H4 于 1773 年荣获经度奖,因为尺寸小,减少了海军舰艇温度和加速度漂移的不确定性。社会使用车辆和手机中的卫星导航进行导航,但纳瓦级信号很容易被干扰、欺骗不在建筑物内、海底或地下工作 海盗、人口贩子和有组织犯罪以及军事冲突地区也利用欺骗和干扰来掩盖非法行为。限制对手的态势感知。无卫星的弹性导航使用航位推算,其中使用时间、速度、加速度和旋转测量来计算先前确定的参考的当前位置。英国政府建议出于国家安全和关键目的而使用所有位置、导航和授时。英国政府《全球导航卫星信号 (GNSS) 依赖性和漏洞布莱克特审查》指出,如果卫星导航中断 5 天,国家基础设施可能会在没有卫星更新参考的情况下运行超过 3 天。为英国经济提供 52 亿英镑。MOD、美国 DARPA、欧洲国防基金和 Connected Places Catapult 表明,国家安全和自动驾驶汽车市场需要更小、更准确、更强大和更便宜的定位、导航和授时解决方案,例如量子我们提议开发的芯片级系统预计将为弹性定位、导航和授时系统创造 1000 亿英镑的全球市场,为英国经济带来 27 亿英镑的总增值(>23,400 个直接收入)。到 2035 年,英国将创造 14,600 个间接就业机会。这项研究是关键的基础工作,通过开发英国供应链以及实用定位、导航和授时系统行业来实现该市场。实验证明,量子旋转传感器/陀螺仪的漂移稳定性性能比传统传感器高 65 倍。光学陀螺仪的理论性能计算提高了 20,000 倍,实验证明量子加速度计的漂移稳定性比传统加速度计高 4 个数量级。混合系统还展示了 x80 的改进。目前,这些量子传感器很难缩小到 50 公斤以下,大约相当于洗衣机的大小。该项目旨在采用光子集成电路和 MEMS 技术来开发芯片级原子钟,量子旋转/陀螺仪和量子加速计,以构建更小、更实用的量子导航器,这将为英国和全球社会带来许多应用和利益。

项目成果

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