这种量子传感器可不依赖GPS追踪三维运动

这种新型原子"干涉仪"装置，未来或能帮助潜艇、航天器、汽车等载具实现更精准导航。

"传统原子干涉仪仅能测量单维加速度，而人类生活在三维世界，"新研究合著者、科罗拉多大学博尔德分校物理系研究生肯德尔·梅林指出，"要掌握行进轨迹，必须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、物理学科博士后研究员凯蒂·勒德斯马，以及物理系教授、JILA研究所研究员默里·霍兰德。JILA是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）共建的联合研究机构。

2023年，美国国家航空航天局通过量子路径研究所向该团队授予550万美元经费，用于持续推进传感器技术研发。

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，将数万颗铷原子固定在真空系统中。借助人工智能技术，他们操控激光形成复杂图案，通过观测原子对微弱加速度（如踩踏汽车油门）的响应进行测量。

当前主流载具通过GPS和传统电子设备（即"经典"加速度计）实现加速度追踪。该量子设备虽暂无法与传统设备竞争，但原子导航技术展现出巨大潜力。

"经典传感器长期暴露在不同环境中会老化衰变，"梅林解释，"钟表发条会变形扭曲，但原子永不老化。"

运动指纹

各类干涉仪已存在数百年，广泛应用于光导纤维信息传输、引力波探测（宇宙时空涟漪）等领域。

其核心原理类似夹克开合：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，将其拆分为两束完全相同的路径光束。当光束重新汇合时，若传输过程中受到不同作用（如重力差异），则无法完美啮合——如同拉链卡顿。通过分析两束初始相同的光束如何相互干涉（故得名"干涉仪"），即可实现精密测量。

本项研究中，团队用原子替代光波实现了同等突破。

技术原理：当前设备尺寸约等于空气曲棍球台。研究人员首先将铷原子云冷却至绝对零度以上十亿分之几度的极低温状态。

在此超低温领域，原子形成神秘的量子物质态——玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）。科罗拉多大学博尔德分校物理学家卡尔·维曼与JILA研究所的埃里克·康奈尔因首次制备BEC荣获2001年诺贝尔奖。

随后，团队利用激光扰动原子使其分裂。此处"分裂"并非原子群分离，而是每个原子进入名为"叠加态"的量子态——可同时存在于两个位置。

当原子分裂时，这些量子态幽灵沿不同路径分离运动。（本实验中，研究人员通过激光推动原子产生加速度，设备本身保持静止）。

"玻色-爱因斯坦凝聚态是原子构成的物质波池塘，"霍兰德描述，"我们向池塘投入由光包组成的石子，激起左右双向涟漪。待波纹扩散后使其反射汇聚，从而产生干涉。"

原子重新聚合时形成独特图案，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，可精确提取原子经历的加速度数据。"霍兰德解释道。

智能路径规划

团队耗时近三年完成设备建造。

"现有实验装置在同类设备中堪称极致紧凑。即便需18束激光穿透容纳原子云的真空系统，整套设备仍具备未来实地部署的潜力。"勒德斯马表示。

成功关键在于机器学习技术。霍兰德指出，铷原子的分裂与重组需通过复杂多步流程调节激光。为此团队训练计算机程序预先规划操作路径。

目前该设备仅能测量小于地球重力几千分之一的加速度，现有技术精度远超于此。

但团队将持续改进工程方案，未来数年有望将量子设备性能提升数倍。这项技术印证了原子的非凡价值。

"这项研究开启了一扇新大门，其潜在影响尚难估量。"霍兰德总结道。