量子传感器无需GPS即可追踪三维运动

这种新型原子"干涉仪"装置，未来或能帮助人类更精确地引导潜艇、航天器、汽车及其他交通工具的航行。

"传统原子干涉仪仅能测量单一维度的加速度，但我们生活在三维世界中，"新研究的合著者、科罗拉多大学博尔德分校物理系研究生肯德尔·梅林表示，"要确定我的行进方向和轨迹，需要同步追踪三个维度的加速度数据。"

研究团队本月在《科学进展》期刊发表了题为《光晶格中的矢量原子加速度测量》的论文。成员包括梅林、物理博士后研究员凯蒂·勒德斯马，以及物理系教授、科罗拉多大学博尔德分校与美国国家标准与技术研究院（NIST）联合研究所JILA研究员默里·霍兰德。

2023年，美国宇航局通过量子路径研究所向科罗拉多大学博尔德分校研究团队授予550万美元资助，用于持续开发该传感技术。

新装置堪称工程奇迹：霍兰德团队使用六束细如发丝的激光，将数万个铷原子云固定于特定位置。随后借助人工智能技术，他们以复杂模式操控这些激光束——使团队能精确测量原子在微加速度下的行为变化，其灵敏度堪比踩踏汽车油门时的动态响应。

当前多数交通工具通过GPS和传统（或称"经典"）电子加速度计进行运动追踪。该量子设备虽在实用化道路上仍有距离，但研究人员对原子导航技术前景充满信心。

"经典传感器在复杂环境中长期使用会老化衰变，"梅林指出，"钟表发条会变形扭曲，但原子永不衰老。"

运动指纹

各类干涉仪已存在数百年，应用涵盖光纤信息传输至引力波探测（即宇宙结构中的时空涟漪）。

其核心原理如同拉开再闭合夹克拉链：先将物质分离，再使其重新汇聚。

以激光干涉测量为例：科学家发射激光束后将其分拆为两束完全相同的路径光。最终重合时，若两束光在传播中受到不同作用（如差异化的重力影响），将无法完美叠加——如同拉链卡顿。研究人员通过观测原本同源的光束如何相互干扰进行测量，"干涉仪"由此得名。

本次研究中，团队以原子替代光子实现了同等突破。

工作原理如下：当前设备尺寸约等于气垫球台。研究人员首先将铷原子云冷却至比绝对零度高几十亿分之一度的极低温状态。

在此极寒环境中，原子形成名为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）的量子态物质。科罗拉多大学博尔德分校物理学家卡尔·威曼与JILA的埃里克·康奈尔因首次制备BEC荣获2001年诺贝尔奖。

随后团队用激光束扰动原子使其分裂。此处"分裂"并非原子群分离，而是每个原子进入可同时存在于两处的量子叠加态。

原子分裂后，这些量子态幽灵沿不同路径分离运动。（本实验中设备本身未移动，而是通过激光推动原子产生加速度）。

"玻色-爱因斯坦凝聚态是原子构成的物质波池塘，我们向其中投入由光包组成的石子，激起左右双向涟漪，"霍兰德解释，"待波纹扩散后将其反射汇聚，观察干涉现象。"

原子重新合并时形成独特图案，其复杂程度超越激光束重合效果，类似玻璃上的指纹印记。

"通过解码该指纹，可提取原子经历的加速度数据。"霍兰德表示。

计算机规划

团队耗时近三年完成装置构建。

"就技术复杂度而言，当前实验装置极为紧凑。尽管有18束激光穿过容纳原子云的真空系统，但整套设备体积足以支持未来实地部署。"勒德斯马强调。

成功关键源于名为机器学习的人工智能技术。霍兰德指出，铷原子的分裂重组需通过复杂多步骤调节激光参数。为此团队训练了可预先规划操作流程的计算机程序。

目前该设备仅能测量比地球重力弱数千倍的加速度，现有技术已远超此水平。

但团队将持续优化工程方案，未来数年计划将量子设备性能提升数倍。这项技术印证了原子的巨大应用潜力。

"研究开启的全新领域蕴含无限可能，其深远影响尚难估量。"霍兰德总结道。