该量子传感器无需GPS即可追踪3D运动

这种新型原子"干涉仪"设备，未来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，「要知道自己的行进方向和轨迹，必须追踪三个维度的加速度数据。」

研究团队本月在期刊《科学进展》(Science Advances)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；物理系博士后研究员凯蒂·勒德斯玛；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。

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拨款550万美元，用于继续开发该传感技术。

新设备堪称工程奇迹：霍兰团队使用六束细如发丝的激光，将数万个铷原子云固定于空间特定位置。随后借助人工智能以复杂模式操控激光束——使团队得以测量原子在微弱加速度（如踩下汽车油门）作用下的行为响应。

目前多数交通工具通过GPS及传统（或称"经典"）电子设备（即加速度计）追踪加速度。团队的量子设备要达到现有工具的精度尚有距离，但研究人员认为原子导航技术前景广阔。

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

运动指纹

干涉仪以各种形式存在已数百年，其应用涵盖光纤信息传输、引力波探测（即探测宇宙结构中的涟漪）等多个领域。

其基本原理是将事物分离后重新组合，类似拉开夹克拉链再重新拉合的过程。

例如在激光干涉测量中，科学家首先发射激光束，将其分拆为两束完全相同的路径光束。最终两束光重新汇合。若光束在传播路径中受不同作用（如重力差异影响），复合时便无法完美重合——如同拉链会卡顿。研究人员通过测量两束初始相同的光波如何相互干扰进行数据分析，"干涉仪"因此得名。

本研究中，团队以原子替代光波实现了同等突破。

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群冷却至绝对零度以上十亿分之几度的极低温。

在此极寒环境中，原子形成名为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）的神秘量子态物质。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于2001年荣获诺贝尔奖。

随后团队用激光晃动原子使其分裂。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"量子幽灵"沿两条路径背向移动。（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）。

「我们的玻色-爱因斯坦凝聚体是原子构成的物质波池塘，」霍兰描述道，「向其中投入由光包组成的'石子'，左右两侧会同时泛起涟漪。待波纹扩散后将其反射折返，在原点交汇产生干涉。」

原子重新聚合时形成独特图案，虽比两束激光复合更复杂，但原理相似——如同玻璃上的指纹印迹。

「通过解码指纹信息，可提取原子经历的加速度数据。」霍兰解释道。

计算机预规划

团队耗时近三年构建该设备达成目标。

「就功能而言，当前实验装置极其紧凑。即便有18束激光穿过容纳原子云的真空系统，整套设备仍小到可满足未来实地部署需求。」勒德斯玛指出。

成功秘诀之一在于名为机器学习的人工智能技术。霍兰说明，铷原子的分裂重组需经复杂多步骤的激光调节。为优化流程，团队训练了可预先规划操作步骤的计算机程序。

目前该设备仅能测量比地球重力微弱数千倍的加速度，现有技术已远超此水平。

但团队将持续改进工程方案，未来数年计划将量子设备性能提升多个数量级。这项技术仍有力证明了原子的巨大应用潜力。

「我们尚未完全预见此项研究的全部影响，因为它开启了一扇全新的大门。」霍兰总结道。