该量子传感器无需GPS即可实现三维运动追踪

这种新型原子"干涉仪"装置，未来或能帮助人类更精确地导航潜艇、航天器、汽车及其他交通工具。

"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·梅林表示，"要确定我的位置和轨迹，需要同时追踪三个维度的加速度数据。"

研究团队本月在《科学进展》期刊发表了题为《光学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授予550万美元经费，用于持续开发该传感技术。

新装置堪称工程奇迹：霍兰团队使用六束细如发丝的激光，将数万个铷原子组成的原子云固定于特定位置。随后借助人工智能技术，他们以复杂模式操控这些激光束——使团队能够测量原子在微加速度作用下的行为变化，类似踩下汽车油门时的物理响应。

当前多数交通工具通过GPS和传统（或称"经典"）电子加速度计追踪加速度。该团队的量子设备虽距实用尚有差距，但研究人员对原子导航技术前景充满信心。

"经典传感器在不同环境中长期使用会老化衰变，"梅林指出，"钟表发条会变形扭曲，但原子永不老化。"

运动指纹

各类干涉仪已存在数百年，应用涵盖光纤信息传输至宇宙引力波探测等领域。

其核心原理是将物质分离后重组，如同拉开又合上夹克拉链。

以激光干涉测量为例：科学家先发射激光束，将其分拆为两束完全相同的子光束沿不同路径传播，最终重新汇合。若两束光在传播中受到不同作用（如重力差异影响），重组时便无法完美契合——如同拉链卡顿。研究人员通过观测原本相同的两束光如何相互干涉进行测量，"干涉仪"由此得名。

本次研究中，团队以原子替代光子实现了同等创举。

技术原理：当前设备尺寸与气垫球台相当。研究人员首先将铷原子云冷却至接近绝对零度（仅高出十亿分之几摄氏度）。

在此极寒环境下，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荣获2001年诺贝尔奖。

团队继而用激光扰动原子使其分裂。此处"分裂"并非原子群分离，而是每个并非原子群分离，而是每个原子进入名为"量子叠加态"的特殊状态——可同时存在于两个位置。

原子分裂后，这些量子态实体沿不同路径分离运动。（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-爱因斯坦凝聚态是由原子构成的物质波池塘，向其中投入光包形成的'石子'会激起左右传播的涟漪，"霍兰解释道，"待波纹扩散后将其反射汇合，即可观测干涉现象。"

原子重组时形成独特图案，虽类似激光束合束效应但更为复杂，其纹路宛若玻璃上的指纹。

"通过解码该指纹，可提取原子经历的加速度数据。"霍兰表示。

计算机预规划

团队耗时近三年完成该装置研发。

"就技术复杂度而言，当前实验装置极为紧凑。即便有18束激光穿过包裹原子云的真空系统，整套设备仍小到足以实现未来实地部署。"勒德斯马指出。

成功关键源于名为"机器学习"的人工智能技术。霍兰解释，铷原子的分裂重组需通过复杂多步骤调节激光束。为此团队训练了计算机程序，可预先规划操作流程。

目前该设备仅能测量小于地球重力数千分之一的加速度，现有技术已远超此水平。

但团队将持续改进工程设计，未来数年计划将量子设备性能提升数倍。这项技术仍印证了原子的巨大应用潜力。

"这项应用潜力。

"这项研究开启了新领域大门，其全部影响尚难预料。"霍兰总结道。