Корейский институт исследований и стандартов (KRISS) совершил прорыв в измерении длины, создав систему, точность которой вплотную приблизилась к фундаментальному пределу, установленному законами квантовой физики. Новая разработка не только обладает высочайшей в мире точностью, но и отличается компактностью и надежностью, что позволяет использовать ее прямо на производстве. Это открывает путь для создания нового эталона длины следующего поколения.

Сегодня самые точные измерения длины обеспечивают национальные эталоны, которые и определяют, что такое один метр. Эти сложные установки, которые есть лишь в нескольких ведущих метрологических институтах мира, в том числе и в KRISS, используют интерферометры с лазерами, работающими на одной строго определенной длине волны.

Подробности опубликованы в издании Laser & Photonics Review.

Представьте себе идеальную линейку с нанесенными с нанометровой точностью делениями. Именно так работает одночастотный лазер в интерферометре. Он позволяет измерять расстояния с невероятной точностью, вплоть до одного нанометра (это одна миллиардная часть метра). Однако у этого метода есть серьезный недостаток: такая «идеальная линейка» очень короткая. Она может точно измерить только расстояние, не превышающее длину волны самого лазера.

Для измерения больших расстояний приходится проводить множество замеров, а потом «сшивать» их воедино. Этот процесс требует времени и сложных механических систем для точного перемещения измерителя, что накладывает существенные ограничения.

С другой стороны, существуют системы абсолютного измерения расстояния. Они работают по простому принципу: посылают луч света к цели и замеряют время, за которое он возвращается обратно. Это позволяет измерять большие дистанции за одно действие, а сами устройства можно сделать компактными и быстрыми. Благодаря этому они широко распространены в промышленности. Но их точность невысока — лишь несколько микрометров, так как измерить время полета света с ультра-высоким разрешением крайне сложно.

Группа специалистов KRISS по метрологии длины нашла способ объединить преимущества обоих методов. Они создали систему абсолютного измерения расстояния на основе оптической гребенки. Оптическая гребенка — это особый лазер, спектр которого состоит из тысяч одинаково расположенных частот, словно клавиши на рояле. В отличие от обычного лазера, она сочетает в себе широкий спектральный диапазон и высочайшую точность «линеек».

Новая система, использующая спектральную интерферометрию на основе оптической гребенки, достигла точности в 0,34 нанометра. Это один из лучших показателей в мире, который практически вплотную подошел к квантовому пределу точности. При этом скорость измерения составляет 25 микросекунд, что делает систему идеальной для работы в реальных условиях на высокотехнологичных производствах.

Старший научный сотрудник KRISS доктор Чан Юн Су подчеркивает:

Конкурентоспособность таких будущих отраслей, как искусственный интеллект для полупроводников и квантовые технологии, напрямую зависит от нашей способности точно измерять и контролировать расстояния в нанометровом масштабе. Наша разработка — это значительный шаг на пути Кореи к лидерству в установлении стандартов длины следующего поколения.

Польза от этого исследования носит фундаментальный и прикладной характер. В высокотехнологичных отраслях, таких как производство передовых процессоров, где техпроцесс измеряется уже нанометрами, любая погрешность на этапе литографии приводит к браку и колоссальным убыткам. Компактный и сверхточный измерительный комплекс, который можно встроить прямо в производственную линию для контроля в реальном времени, — это необходимость для перехода к следующим технологическим узлам. В квантовых вычислениях, где кубиты требуют точнейшего позиционирования, такая система может стать ключом к созданию стабильных и масштабируемых квантовых процессоров. Кроме того, в робототехнике и аэрокосмической отрасли это открывает путь к созданию систем автономной навигации с беспрецедентной точностью.

Основное замечание касается не самой технологии, а ее готовности к массовому внедрению. В статье упоминается, что система «подходит для полевого развертывания», однако не приводятся данные о ее стоимости, энергопотреблении, устойчивости к вибрациям, перепадам температур или запыленности в условиях, например, цеха. Оптические гребенки — сложные и дорогие устройства. Пока не ясно, удалось ли инженерам KRISS решить проблему миниатюризации и удешевления всей системы в сборе, чтобы она могла конкурировать с более простыми, хоть и менее точными, аналогами. Успех будет зависеть от того, смогут ли они перейти от лабораторного прототипа к коммерческому продукту с приемлемой ценой.

Ранее казанские ученые создали математическую модель датчика, чтобы лучше понять его возможности.