这款量子传感器无需GPS即可追踪三维运动

这种被称为原子“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）说。"要知道我将去向何方，以及我来自何处，我需要追踪自身在三个维度上的加速度。"

研究人员本月在期刊《科学进展》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·勒德斯玛（Catie LeDesma）；以及物理学教授、JILA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550万美元资金，用于持续开发该传感器技术。

该新设备是工程学奇迹：霍兰及其同事使用六束细如发丝的激光束，将数万个铷原子组成的原子云固定在特定位置。随后，在人工智能的辅助下，他们以复杂模式操控这些激光束——使团队得以测量原子在对微小加速度（例如踩下汽车油门）作出反应时的行为。

目前大多数交通工具使用全球定位系统（GPS）和被称为加速度计的传统（或称"经典"）电子设备来追踪加速度。团队的量子设备要媲美这些工具尚需时日。但研究人员认为基于原子的导航技术前景广阔。

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

运动的指纹

各种形式的干涉仪已存在数个世纪——它们被广泛应用于诸多领域，从通过光纤传输信息，到搜寻引力波（即宇宙结构中的涟漪）。

其核心原理涉及将事物分离再重组，类似于拉开夹克拉链再重新拉合的过程。

以激光干涉测量为例：科学家首先发射激光，随后将其分束为两条完全相同的路径光束。最终使它们重新汇合。若激光在传播过程中经历不同效应（例如重力以不同方式作用），它们重新组合时可能无法完美契合。换言之，拉链可能出现卡顿。研究人员可根据两条原本相同的光束当前相互干扰的程度进行测量——此即"干涉仪"名称的由来。

当前研究中，团队实现了相同壮举，但使用原子替代了光束。

其工作原理如下：该设备目前安装在约空气曲棍球桌大小的平台上。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）因首次创建BEC于2001年荣获诺贝尔奖。

随后，团队利用激光束抖动原子，使其分裂。此处"分裂"并非指原子团分离，而是每个原子均存在于名为"叠加态"的奇特量子态中——可同时处于两个位置。

当原子分裂分离时，这些量子态实体沿两条不同路径彼此远离。（当前实验中，研究人员并未实际移动设备本身，而是通过激光束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，我们向池中投入由微小光包构成的石子，激起左右双向涟漪，"霍兰解释道。"待涟漪扩散后，我们将其反射并汇集至原点产生干涉。"

当原子重新聚合时，会形成独特图案——如同两束激光拉链般啮合，但更为复杂。其效果类似玻璃上的指纹印记。

"我们能解码该指纹，提取原子所经历的加速度数据，"霍兰表示。

计算机规划

团队耗时近三年构建该设备以实现此突破。

"就其本质而言，当前实验装置已极其紧凑。尽管有18束激光穿过容纳原子云的真空系统，整个实验装置仍足够小巧，未来可部署至实地，"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。霍兰解释：分裂与重组铷原子需通过复杂的多步骤流程调控激光束。为优化此过程，团队训练了可预先规划这些操作的计算机程序。

目前该设备仅能测量比地球重力小数千倍的加速度，现有技术则精准得多。

但团队正持续改进工程设计，期望未来数年将量子设备性能提升数倍。这项技术仍证明了原子的巨大应用潜力。

"我们尚不完全清楚这项研究的所有潜在影响，因为它开启了一扇全新的大门，"霍兰总结道。