这种量子传感器无需GPS即可追踪三维运动

这种被称为新型原子“干涉仪”的设备，有朝一日或许能帮助人们更精确地潜艇、宇宙飞船、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·梅林表示。“要知道我正前往何方，以及我曾身处何处，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》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·勒德斯马；以及物理系教授、JILA研究员默里·霍兰——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）共建的联合研究所。

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，以继续开发该传感器技术。

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，将包含数万个铷原子的云团固定到位。随后在人工智能的辅助下，他们以复杂模式操控这些激光——这使得团队能够测量原子在微小加速度作用下的行为反应，就如同踩下汽车油门踏板时的情形。

当今大多数车辆通过GPS和被称为加速度计的传统（或“经典”）电子设备追踪加速度。该团队的量子设备在性能上尚无法与这些工具竞争。但研究人员看到了基于原子的导航技术的巨大潜力。

“若将经典传感器置于不同环境中数年，它会发生老化和衰减，”梅林说。“钟表内的发条会变形扭曲。但原子永不衰老。”

运动的指纹

干涉仪以各种形式存在已有数百年历史——其用途广泛，从通过光纤传输信息到探测引力波（即宇宙结构中的涟漪）。

其核心原理涉及物质的分裂与重组，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，将其分裂成两束完全相同的激光束沿不同路径传播。最终再将两束光重新合并。若激光在传播过程中经历不同效应（例如重力作用的差异），它们在重组时可能无法完美契合。换言之，拉链可能会卡住。研究人员可根据这两束原本相同的光束如何相互干扰进行测量——这便是“干涉仪”名称的由来。

在本研究中，该团队实现了相同的壮举，但使用的是原子而非光。

工作原理如下：当前设备尺寸相当于一台空气曲棍球桌。研究人员首先将铷原子云冷却至仅比绝对零度高数十亿分之一摄氏度的极低温。

在此极寒领域，原子会形成一种被称为玻色-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·威曼与JILA的埃里克·康奈尔因首次制备出BEC于2001年荣获诺贝尔奖。

随后，团队利用激光扰动原子使其分裂。此处“分裂”并非指原子群分离，而是每个原子进入一种量子叠加态（即同时存在于两个位置的量子态）。

当原子分裂时，这些幽灵般的量子态沿两条不同路径彼此分离。（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，我们向池塘投入由光包构成的石子，激起左右双向的涟漪，”霍兰解释道。“待涟漪扩散后，我们将其反射并引导它们重回交汇处相互干涉。”

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

“我们能解码该指纹并提取原子所经历的加速度数值，”霍兰表示。

计算机辅助规划

团队耗时近三年建造完成该装置以实现此目标。

“就其本质而言，当前实验装置极其紧凑。即便有18束激光穿透容纳原子云的真空系统，整套设备仍足够小巧，未来可部署至实地，”勒德斯马指出。

成功的关键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多步骤流程调控激光。为优化该过程，团队训练了能预先规划操作步骤的计算机程序。

目前设备仅能测量比地球重力小数千倍的加速度。现有技术具备更优性能。

但该团队持续改进工程设计，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。

“我们尚未完全洞悉此项研究的所有潜在影响，因为它开启了一扇全新的大门，”霍兰如是说。