该量子传感器可在无需GPS的情况下追踪三维运动

这种新型原子"干涉仪"设备，未来某天可能帮助人们更精确地导航潜艇、航天器、汽车和其他交通工具。

"传统原子干涉仪只能测量单个维度的加速度，但我们生活在一个三维世界中，"这项新研究的合著者、科罗拉多大学博尔德分校物理学系研究生肯德尔·梅林（Kendall Mehling）说。"要知道我将去向何方，以及我来自何处，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"光学晶格中的矢量原子加速度测量"的论文。团队成员包括梅林；物理学博士后研究员凯蒂·勒德马（Catie LeDesma）；以及物理学教授、JILA研究员默里·霍兰德（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）的联合研究机构。

2023年，美国国家航空航天局（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人员授予了550万美元的资助，以继续开发这项传感器技术。

该新设备堪称工程奇迹：霍兰德及其同事使用六束细如人发的激光，将数万个铷原子组成的云团固定到位。随后，在人工智能的辅助下，他们以复杂模式操纵这些激光——使团队能够测量原子在微小加速度作用下的行为反应，比如踩下汽车油门踏板时的情形。

目前，大多数交通工具使用GPS和传统（或称"经典"）的电子设备（称为加速度计）来追踪加速度。团队的量子设备要达到与这些工具竞争的水平还有很长的路要走。但研究人员看到了基于原子的导航技术的巨大潜力。

"如果将一个经典传感器置于不同环境中数年，它会老化衰变，"梅林说。"时钟的发条会变形弯曲。原子则不会老化。"

运动的指纹

干涉仪（以某种形式存在）已有数百年历史——它们被用于多种用途：从通过光纤传输信息，到探测引力波（即宇宙结构中的涟漪）。

其核心理念涉及将事物分开再重新组合，类似于拉开夹克拉链，然后再将其拉合。

例如，在激光干涉测量中，科学家首先发射一束激光，然后将其分成两束相同的射束，各自沿不同路径传播。最终，他们会让这两束光重新汇合。如果激光在传播过程中经历了不同的效应（比如重力以不同方式作用），它们在重新组合时可能无法完美嵌合。换句话说，拉链可能会卡住。研究人员可以基于这两束原本相同的光束如何相互干扰来进行测量——"干涉仪"因此得名。

在当前研究中，团队取得了同样的成就，但使用的是原子而非光。

工作原理如下：该设备目前可放置在约空气曲棍球桌大小的平台上。首先，研究人员将一团铷原子冷却至比绝对零度仅高几十亿分之一度的温度。

在那个极寒领域，原子形成了一种称为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）的神秘量子物质状态。时任科罗拉多大学博尔德分校物理学家的卡尔·维曼（Carl Wieman）与JILA的埃里克·康奈尔（Eric Cornell）因首次创造出BEC而获得2001年诺贝尔奖。

接下来，团队使用激光晃动原子，将其分裂。此处分裂并非指原子团簇分离，而是每个单独的原子都存在于一种称为叠加态的幽灵般量子态中——它可以同时存在于两个位置。

当原子分裂分离时，这些"幽灵"沿着两条不同路径相互远离。（在当前实验中，研究人员并未实际移动设备本身，而是使用激光推动原子以产生加速度。）

"我们的玻色-爱因斯坦凝聚态是由原子组成的物质波池塘，我们向池塘中投入由小光包构成的石子，激起左右双向的涟漪，"霍兰德说。"一旦涟漪扩散开，我们将其反射并带回原处汇合，此时它们发生干涉。"

当原子重新合并时，它们形成独特的图案——类似于两束激光拉合在一起，但更为复杂。结果宛如玻璃上的指纹。

"我们可以解码那个指纹，提取原子所经历的加速度，"霍兰德说。

计算机规划

该团队花了近三年时间构建设备来实现这一壮举。

"就其本质而言，目前的实验设备极其紧凑。尽管有18束激光穿过容纳原子云的真空系统，但整个实验装置足够小，未来某天可在实地部署，"勒德马说。

成功秘诀之一在于一项名为机器学习的人工智能技术。霍兰德解释说，分裂和重组铷原子需要通过复杂的分步过程调整激光束。为优化流程，团队训练了一个能预先规划这些操作的计算机程序。

迄今为止，该设备仅能测量比地球重力小数千倍的加速度。现有技术能实现的精度要高得多。

但团队正在持续改进工程设计，希望在未来几年将量子设备的性能提升数倍。这项技术仍证明了原子的巨大应用潜力。

"我们还不完全确定这项研究的所有可能影响，因为它打开了一扇大门，"霍兰德说。