该量子传感器可在无需全球定位系统的情况下追踪三维运动

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。“为了知道我的去向和来路，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“光晶格中的矢量原子加速度测量”（Vector atom accelerometry in an optical lattice）的论文。团队成员包括梅林；物理学博士后研究员凯蒂·莱德斯玛（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（Quantum Pathways Institute）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。

该新型设备堪称工程奇迹：霍兰德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原子云固定到位。然后，在人工智能的辅助下，他们以复杂模式操控这些激光——使团队能够测量原子在受到微小加速度（如踩下汽车油门）时的行为反应。

目前大多数交通工具利用GPS和被称为加速度计的传统（或称“经典”）电子设备追踪加速度。该团队的量子设备要能与这些工具竞争还有很长的路要走。但研究人员看到了基于原子的导航技术的巨大潜力。

“如果将经典传感器置于不同环境中数年，它会老化和衰变，”梅林说。“钟表内的发条会变形扭曲。但原子不会老化。”

运动的指纹

各种形式的干涉仪已存在数百年之久——它们被广泛应用于从光纤传输信息到探测引力波（即宇宙结构中的涟漪）等各种领域。

其基本原理涉及将事物分离后重新组合，类似于拉开夹克拉链又将其拉回的过程。

例如在激光干涉测量中，科学家首先发射一束激光，将其分成两束完全相同的光束沿不同路径传播。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（如重力作用方式不同），它们在重新组合时可能无法完美重合。换句话说，拉链可能会卡住。研究人员可以根据这两束原本相同的光束如何相互干扰来进行测量——这正是“干涉仪”名称的由来。

在当前研究中，该团队实现了同样的壮举，但使用的是原子而非光。

其工作原理如下：目前该设备可置于空气曲棍球桌大小的实验台上。首先，研究人员将一团铷原子冷却至仅比绝对零度高数十亿分之一度的极低温度。

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（Bose-Einstein Condensate, 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）和JILA的埃里克·康奈尔（Eric Cornell）因首次创造出BEC于2001年获得诺贝尔奖。

接下来，团队利用激光振动原子使其分裂。此处“分裂”并非指原子团分离，而是指每个原子都处于一种称为量子叠加的奇异状态——即单个原子可同时存在于两个位置。

当原子分裂时，这些“量子幽灵”会沿两条不同路径彼此远离运动。（在当前实验中，研究人员并未实际移动装置本身，而是利用激光推动原子从而引发加速度）。

“我们的玻色-爱因斯坦凝聚态是一个由原子构成的物质波池塘，我们向池塘中投入由微小光包构成的石子，激起左右传播的涟漪，”霍兰德解释道。“待涟漪扩散后，我们将其反射并使其重新交汇产生干涉。”

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

“我们能够解码该指纹并提取原子所经历的加速度，”霍兰德说。

计算机规划

该团队耗时近三年构建此设备以实现这一突破。

“就本质而言，当前实验装置的紧凑性令人惊叹。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巧，未来我们有望将其部署至实地，”莱德斯玛表示。

成功的关键之一在于名为机器学习的人工智能技术。霍兰德解释道，分裂和重组铷原子需通过复杂多步骤过程调节激光。为优化流程，团队训练了一个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。现有技术可达到更高精度。

但该团队将持续改进工程设计，并期望在未来数年将量子设备的性能提升多个数量级。尽管如此，这项技术已然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，”霍兰德总结道。