Kuantum fiziğini anladığını iddia eden herkesin yalan söylediği söylenir. openUC2 ekibi bu sorunu çözdüklerini iddia etmiyor — ama olağanüstü bir şey inşa ettiler: lise öğrencilerinin, üniversite sınıflarının ve meraklı yapımcıların gerçek kuantum fiziği deneylerini masalarının üzerinde gerçekleştirmelerine olanak tanıyan taşınabilir, açık kaynaklı bir deney kiti.
qBOX (Kuantum Kutusu), açık kaynaklı “optikler için Raspberry Pi” platformu openUC2’nin en son yaratımıdır. Almanya Federal Araştırma, Teknoloji ve Uzay Bakanlığı (BMFTR) tarafından finanse edilen bu kit, ışık hızını Michelson interferometresi ile ölçmekten kuantum spin durumlarını Optik Olarak Tespit Edilen Manyetik Rezonans (ODMR) aracılığıyla tespit etmeye kadar ondan fazla deneyi bir araya getiriyor ve sadece düz bir yüzeye ihtiyaç duyan modüler küplerden oluşan bir set halinde sunuluyor.
Kuantum Kutusu, tüm parçaların bir arada olduğu paket
Temelinde, özel bir mikrodalga sentezleyici kartı ile eşleştirilmiş bir Seeed Studio XIAO ESP32-C3 bulunuyor. XIAO, Wi-Fi üzerinden şık bir web uygulaması sunarak herhangi bir akıllı telefonu bir laboratuvar konsoluna dönüştürüyor: “Başlat”a dokunun ve kontrol cihazının mikrodalga frekanslarını taradığını ve bir azot-vakum elmasının floresansını gerçek zamanlı olarak çizdiğini izleyin. Sonuç? Daha önce binlerce euro değerinde ekipman gerektiren kuantum spin dönüşleri ve Zeeman etkisinin canlı bir gösterimi.
Her şey açık kaynak — donanım, yazılım ve belgeler — ve proje, topluluğu yeni deney modülleri tasarlamaya, kod katkısında bulunmaya ve bilim eğitiminde mümkün olanın sınırlarını zorlamaya davet ediyor.
Donanımlar
Kompakt ve sınıf dostu tasarımına rağmen, qBOX, gerçek kuantum optik deneylerini mümkün kılan dikkatlice seçilmiş bir bileşen seti ile inşa edilmiştir:
“`- Seeed Studio XIAO ESP32-C3
- Yeşil lazer modülü
- Dikroik ışın bölücü küp
- Odaklama mercekleri ve aynalar
- Azot-boşluğu (NV) kusur merkezlerine sahip mikro-elmas örneği
- Fotodetektör
- Polarizasyon filtreleri
- İnterferometri için ışın bölücüleri
- Mikrodalga sentezi için özel PCB adaptör kartı
- Kalıcı mıknatıslar
- openUC2 modüler küp sistemi
ODMR kurulum düzeni
openUC2 qBOX Nasıl Çalışır
qBOX, üç ana öğrenme alanına gruplandırılmış ondan fazla uygulamalı deney ile birlikte gelir: Polarizasyon, İnterferans ve Kuantum Durumları. Bayrak gemisi gösterimi ODMR (Optik Olarak Tespit Edilen Manyetik Rezonans)dır; bu deney, kullanıcıların elmas içindeki kuantum etkileri aracılığıyla manyetik alan algılamasını keşfetmelerine olanak tanır — bu genellikle ileri düzey araştırma laboratuvarlarına ayrılmıştır.
ODMR kurulumunda, yeşil bir lazer, mühendislik ile oluşturulmuş azot-boşluğu merkezlerine sahip küçük bir elmasa odaklanır. Lazer bu kusurları uyardığında, elmas kırmızı floresans yayar. Dikroik bir ışın bölücü küp, yeşil uyarım ışığını kırmızı floresan ışığından ayırır ve bir fotodetektörün elmasın ne kadar parlak parladığını ölçmesine olanak tanır.
Burada XIAO ESP32-C3 devreye girer. Özel bir mikrodalga sentezleyici kartı ile monte edilen XIAO, mikrodalga frekanslarını elmasın rezonans aralığında tarar. Belirli bir frekansta, bazı elektronlar floresan yaymak yerine “karanlık” bir duruma geçer ve bu, algılanan sinyalde görünür bir çöküşe neden olur. O çöküş, bir kuantum spin geçişine karşılık gelir.
Kalıcı bir mıknatıs elmasın yanına yerleştirildiğinde, rezonans zirvesi ikiye bölünür — bu, Zeeman etkisinin doğrudan bir gösterimidir. Başka bir deyişle, kullanıcılar sadece kuantum fiziği hakkında okumakla kalmaz; gerçek bir optik manyetometreyi bir masa veya sınıf masasında monte edip çalıştırmaktadırlar. XIAO tarafından barındırılan web uygulaması aracılığıyla, kullanıcılar ölçüm taramalarını başlatabilir, floresans yoğunluğunu canlı olarak izleyebilir ve elde edilen eğrileri doğrudan bir akıllı telefon veya dizüstü bilgisayarda, ayrı bir uygulama yüklemeye gerek kalmadan görüntüleyebilirler. ODMR kitinin çalışırken gösterildiği kısa tanıtım videosuna göz atın.
XIAO ESP32-C3, bu iş akışında iki kritik rol üstlenir. İlk olarak, ODMR deneyine yönelik ayarlanabilir mikrodalga sinyalleri üreten özel adaptör kartını sürer. İkincisi, fotodetektörden gelen analog çıkışı okuyarak floresans yoğunluğunu gerçek zamanlı olarak yakalar. Kompakt boyutu, yerleşik Wi-Fi’si ve duyarlı kontrol yetenekleri, qBOX’ı taşınabilir bir tarayıcı kontrollü laboratuvar platformuna dönüştürmek için ideal bir uyum sağlar.
XIAO tarafından barındırılan web arayüzü üzerinden yakalanan canlı ODMR sinyali.
Birden Fazla Deney Kutusu
qBOX’ı özellikle heyecan verici kılan şey, ODMR’nin deneyimin sadece bir parçası olmasıdır. Platform, çapraz polarizatörler, üç polarizatör paradoksu, stres kaynaklı çift kırılma, çift yarık kırınımı, tek yarık ve ızgara deneyleri, Michelson interferometrisi, Mach–Zehnder interferometrisi, ışık hızını ölçme ve hatta bir kuantum silici kurulumu gibi geniş bir optik ve fotonik deney yelpazesini desteklemektedir.
Bu deneylerin hepsi aynı modüler küp mimarisini kullandığı için, öğrenciler ve yapımcılar optik yolları fiziksel olarak birleştirerek, lazerleri hizalayarak, bileşenleri değiştirerek ve gerçek veriler toplayarak öğrenebilirler — profesyonel bir fotonik laboratuvarında olduğu gibi, ancak çok daha erişilebilir ve uygun fiyatlı bir formatta. Öğretmenler, uygulamalı STEM ve kuantum fiziği eğitimi için anahtar teslim bir platform elde ederken, araştırmacılar ve ileri düzey kullanıcılar yeni modüller ve yapılandırmalarla genişletebilecekleri hızlı prototipleme sistemine sahip olurlar.
XIAO ESP32-C3 üzerinde çalışan yazılım, Arduino/C++ ile yazılmıştır ve Wi-Fi web sunumu, SPI üzerinden mikrodalga sentezleyici kontrolü ve fotodetektör için ADC okumasını birleştirir. Web arayüzü, XIAO’nun flaş belleğinden doğrudan sunulmakta olup, tüm kullanıcı deneyimini hafif ve kendi kendine yeterli tutmaktadır. Proje materyallerine göre, ana teknik zorluklardan biri, mikrodalga taramasını her floresan ölçümü ile yeterince hassas bir şekilde senkronize etmekti, böylece bu kadar kompakt bir sistemde güvenilir bir dip eğrisi oluşturulabiliyordu.
Michelson Interferometre düzeni
Açık Kaynak, Modüler ve Topluluk İçin Tasarlandı
qBOX sadece bitmiş bir ürün değil — aynı zamanda Jena, Almanya’da geliştirilen daha geniş bir açık kaynak optik platformu olan openUC2 ekosisteminin bir parçasıdır. openUC2, optik bilim için yapı blokları gibi birleştirilebilen 3D yazıcı ile basılabilir, enjeksiyon kalıplı ve manyetik olarak bir araya getirilebilen küp modülleri sunmaktadır. Ekibin uzun vadeli vizyonu, uygulamalı optik ve kuantum bilimi eğitimini daha uygun fiyatlı ve daha geniş bir şekilde erişilebilir hale getirmektir.
Tüm yazılım, donanım tasarımları, montaj talimatları ve deney belgeleri açık kaynak olarak yayımlanmakta veya açık yayımlanması planlanmaktadır. Ekip ayrıca deney kütüphanesini genişletmekte ve dünya genelindeki fizik laboratuvarlarını, eğitimcileri ve yapımcıları yeni modüller, eğitim içerikleri ve kod katkıda bulunmaya davet etmektedir. Bu, qBOX’ın sadece satın alınıp kullanılacak bir şey değil, aynı zamanda topluluğun aktif olarak geliştirebileceği bir şey olduğu anlamına gelmektedir.
openUC2 qBOX’u Hayata Geçirin
openUC2 qBOX, modüler optiklerin kompakt gömülü kontrol ile buluştuğunda neler olabileceğini gösteriyor. Açık donanım, gerçek deneysel bilim ve Seeed Studio XIAO ESP32-C3‘nın kablosuz kolaylığı ile birleştirerek, proje kuantum fiziğini bir sonraki nesil öğrenenler ve yapıcılar için daha somut, etkileşimli ve ulaşılabilir hale getiriyor.
Eğer daha ilgi çekici bir şekilde optik öğretmek isteyen bir eğitimci, kuantum fenomenlerine meraklı bir öğrenci veya breadboard’un ötesinde deney yapmak isteyen bir yapımcıysanız, qBOX gerçek bilime oldukça kompakt bir formatta kapı açıyor.
Referans
Az maliyetli ODMR deneyleri ile azot-boşluk elmasları arkasındaki bilim ve eğitim yaklaşımı hakkında daha fazla bilgi için:
Son Not
Merhaba topluluk, sevilen Seeed Studio XIAO etrafında dönen aylık bir bülten hazırlıyoruz. Eğer güncel kalmak istiyorsanız:
🤖️ Topluluktan İlginç Projeler ilham ve eğitim almak için
📰 Ürün Güncellemeleri: yazılım güncellemesi, yeni ürün ipucu
📖 Wiki Güncellemeleri: yeni wikis + wiki katkısı
📣 Haberler: etkinlikler, yarışmalar ve diğer topluluk etkinlikleri
Lütfen hemen abone olmak için aşağıdaki resme tıklayın👇!
