这种量子传感器无需GPS即可追踪3D运动

这种名为原子“干涉仪”的新型设备，有朝一日或能帮助人们更精确地引导潜艇、航天器、汽车及其他交通工具的航行。

"传统原子干涉仪只能测量单一维度的加速度，但我们生活在一个三维世界里，"这项新研究的合著者、科罗拉多大学博尔德分校物理系研究生肯德尔·梅林（Kendall Mehling）表示。"要知道自己身处何方、将去何处，我需要追踪所有三个维度的加速度。"

研究人员本月在期刊《科学进展》(Science Advances)上发表了题为《光晶格中的矢量原子加速度测量》的论文。团队成员包括梅林、物理系博士后研究员凯蒂·勒德斯马（Catie LeDesma），以及物理系教授、JILA研究所研究员默里·霍兰（Murray Holland）。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，美国宇航局（NASA）通过其量子路径研究所向科罗拉多大学博尔德分校的研究团队授予了550万美元经费，以继续开发这项传感器技术。

新设备堪称工程奇迹：霍兰及其同事使用六束细如发丝的激光，将数万个铷原子组成的原子云固定到位。随后，借助人工智能技术，他们以复杂模式操控这些激光束——使团队能够测量原子在微弱加速度作用下的行为变化，类似踩下汽车油门时的情形。

目前大多数交通工具通过GPS和传统（或称"经典"）电子设备（即加速度计）来追踪加速度。团队的量子设备要与这些成熟工具竞争尚有漫漫长路。但研究人员看到了原子导航技术的巨大潜力。

"如果把经典传感器置于不同环境中数年，它会老化衰变，"梅林解释道。"钟表内的发条会变形扭曲。而原子永不衰老。"

运动的指纹

各式干涉仪已存在数百年之久——从光纤信息传输到探测引力波（宇宙结构中的涟漪），其应用领域极为广泛。

其核心原理涉及分离与重组的过程，如同拉开拉链再重新闭合外套。

以激光干涉测量为例：科学家首先发射激光，将其分裂成两束完全相同的激光束沿不同路径传播，最终使它们重新汇合。若激光在传播过程中经历不同效应（如重力差异作用），重新组合时便无法完美重合。换言之，拉链可能卡滞。研究人员可通过观测这两束初始相同的激光如何相互干扰进行测量——"干涉仪"之名由此而来。

在当前研究中，团队实现了相同目标，只不过用原子取代了光束。

其工作原理如下：该装置目前放置于气墩球台大小的实验台上。首先，研究人员将铷原子集合冷却至仅比绝对零度高数十亿分之一度的低温。

在此极寒领域，原子会形成一种名为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）的神秘量子物质态。时任科罗拉多大学博尔德分校物理学家的卡尔·威曼（Carl Wieman）与JILA的埃里克·康奈尔（Eric Cornell）因首次制备BEC而荣获2001年诺贝尔奖。

随后，团队利用激光束扰动原子使其分裂。此处"分裂"并非指原子团分离，而是每个原子都存在于名为"叠加态"的量子态中，能同时处于两个位置。

当原子分裂时，这两道量子"幽灵"沿不同路径分离运动。（当前实验中，研究人员并未实际移动设备本身，而是利用激光推动原子产生加速度）。

"我们的玻色-爱因斯坦凝聚态是由原子构成的物质波池塘，我们向其中投入由微小光包构成的'石子'，激起左右双向的涟漪，"霍兰描述道。"待波纹扩散后，我们将其反射并引导至汇聚点产生干涉。"

当原子重新聚合时，会形成独特图案——类似两束激光闭合时的情景，但更为复杂。其效果如同玻璃上的指纹印记。

"我们能解读这枚指纹，并提取原子所经历的加速度数据。"霍兰解释道。

计算机规划

团队耗时近三年建造实现此功能的装置。

"就设备性质而言，现有实验装置极为紧凑。即便有18束激光穿过容纳原子云的真空系统，整套设备仍小巧到未来可部署至实地。"勒德斯马表示。

成功的关键之一在于名为"机器学习"的人工智能技术。霍兰说明，分裂与重组铷原子需要通过复杂多步骤流程调整激光束。为此团队训练了计算机程序，可预先规划这些操作步骤。

目前该装置仅能测量比地球重力小数千倍的加速度，远逊于现有成熟技术。

但团队持续改进工程方案，期望未来数年将量子设备的性能提升数个量级。这项技术仍有力证明了原子的巨大应用潜力。

"我们尚无法完全预见这项研究的所有可能影响，因为它开启了一扇全新的大门。"霍兰如是说。