该量子传感器无需GPS即可追踪三维运动

这种新型原子“干涉仪”装置，有朝一日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一维度的加速度，但我们生活在一个三维世界中，”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（Kendall Mehling）表示。“要知道我正去哪里，也要知道我来自何方，就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、物理学博士后研究员凯蒂·勒德斯玛（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）共建的联合研究机构。

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550万美元资助，用于继续开发该传感器技术。

新装置堪称工程奇迹：霍兰德及其同事采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。随后在人工智能辅助下，他们以复杂模式操控这些激光——使团队能够测量原子在微弱加速度（如踩下汽车油门）作用下的行为。

当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）追踪加速度。该团队的量子装置距离与这些工具竞争尚有漫漫长路。但研究人员看到了基于原子的导航技术的巨大潜力。

“如果将经典传感器置于不同环境中数年，它会老化衰减，”梅林指出，“钟表内的发条会变形扭曲，而原子不会老化。”

运动的指纹

干涉仪以各种形式已存在数百年——其用途涵盖通过光纤传输信息，到探测引力波（宇宙结构中的涟漪）。

基本原理涉及将事物分离后重新汇聚，类似于拉开拉链再将其闭合。

例如在激光干涉测量中，科学家首先发射激光，将其分裂成两束完全相同的射线沿不同路径传播。最终使两束光重新汇合。若激光在传播过程中经历不同效应（如重力差异作用），重新组合时可能无法完美重合。换言之，拉链可能卡住。研究人员可根据这两束原本相同的光线当前的干涉情况进行测量——干涉仪因此得名。

在本研究中，团队实现了相同壮举，但用的是原子而非光线。

其工作原理如下：当前装置尺寸相当于一张空气曲棍球台。研究人员首先将铷原子集合冷却至比绝对零度高数十亿分之一的极低温。

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

随后团队利用激光晃动原子使其分裂。此处“分裂”并非指原子群分离，而是每个原子处于可同时存在于两处的量子叠加态。

当原子分裂时，这两个量子“幽灵”沿不同路径彼此远离。（当前实验中，研究人员并未实际移动装置，而是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构成的物质波池塘，我们向其中投入由光包构成的石子，激发出左右传播的涟漪，”霍兰德解释道，“待涟漪扩散后，我们将其反射并引导它们重回交汇点产生干涉。”

当原子重新聚合时，会形成独特图案，类似于两束激光重合但更为复杂。结果宛如玻璃上的指纹。

“我们能解码该指纹并提取原子所经历的加速度，”霍兰德表示。

计算机辅助规划

团队耗时近三年构建该装置以实现此目标。

“就本质而言，当前实验装置已极其紧凑。即便有18束激光穿过容纳原子云的真空系统，整套设备仍足够小巧，未来可部署至现场，”勒德斯玛强调。

成功的关键在于名为机器学习的人工智能技术。霍兰德解释，分裂与重组铷原子需通过复杂多步骤过程调节激光。为优化流程，团队训练了可预先规划这些操作的计算机程序。

目前该装置仅能测量比地球重力小数千倍的加速度，现有技术则具备更优性能。

但团队正持续改进工程设计，希望未来数年将量子装置性能提升多个数量级。这项技术仍印证了原子的巨大价值。

“我们尚未完全确定这项研究的所有潜在影响，因为它开启了一扇全新大门，”霍兰德总结道。