新型激光器可以將 GPS 替代品塞進(jìn)鞋盒

極其靈敏的運動傳感器可以幫助船舶跟蹤其在海上的位置，即使在惡劣的天氣或軍事對手干擾 GPS 信號時也是如此。然而，這些先進(jìn)的傳感器通常具有實驗室規(guī)?！，F(xiàn)在，研究人員開發(fā)了一種新的激光系統(tǒng)，以幫助使這些傳感器適合放在鞋盒中，并且有可能進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

可穿戴設(shè)備中的運動傳感器通常對千分之一 g 范圍內(nèi)的加速度敏感。新墨西哥州阿爾伯克基桑迪亞國家實驗室的研究科學(xué)家 Ashok Kodigala 說，更大、更昂貴的加速度計可以幫助輪船、飛機和其他車輛在沒有 GPS 的情況下導(dǎo)航，它大約有葡萄柚那么大，并且“具有 100 微克左右的靈敏度”。

冷原子干涉儀比這兩種移動加速度計都更準(zhǔn)確。Kodigala 說，這些傳感器目前的靈敏度為十億分之一 g，未來可能達(dá)到萬億分之一 g。

原子干涉儀是量子傳感器的例子，它依賴于在宇宙最微小尺度上出現(xiàn)的奇怪現(xiàn)象。這些量子效應(yīng)對外部干擾非常脆弱，量子傳感器利用這一脆弱性來響應(yīng)環(huán)境中最輕微的干擾。量子傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確性達(dá)到了前所未有的水平，可用于檢測思想磁場等潛在應(yīng)用。

Atom 干涉儀的工作原理

原子干涉儀依賴于一種稱為疊加的量子效應(yīng)，其中一個原子基本上可以同時存在于兩個或多個地方。傳感器具有這些原子的薛定諤貓狀狀態(tài)沿不同的路徑傳播，然后重新組合它們。由于波粒二象性（粒子可以像波一樣作用的量子現(xiàn)象，反之亦然），這些原子相互干涉，它們的波峰和波谷相互增強或抑制。分析這種干擾的性質(zhì)可以揭示在它們各自的路徑上所經(jīng)歷的略有不同的運動的程度。

Atom 干涉儀可以實現(xiàn)無 GPS 導(dǎo)航。幫助實現(xiàn)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星鏈路在地下或水下都不起作用，即使它們工作，也容易受到干擾、欺騙甚至天氣的影響。量子運動傳感器可以幫助作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)不依賴于任何外部信號。

“除了導(dǎo)航之外，量子慣性傳感器的精度和穩(wěn)定性也使其適合從太空繪制地球引力圖，以研究水、冰蓋和海平面的運動以進(jìn)行氣候分析，”Kodigala 說。

然而，原子干涉儀通常足夠大，可以填滿一個小房間。“即使是移動設(shè)備也有迷你冰箱那么大，”Kodigala 說。

原子干涉儀中的激光系統(tǒng)將原子驅(qū)動到疊加狀態(tài)，這是儀器中最復(fù)雜的組件。它們每個通常都與冰箱大小差不多。

收縮原子干涉儀

現(xiàn)在，Kodigala 和他的同事們開發(fā)了一種硅光子調(diào)制器——一種在原子干涉儀中控制光的裝置——可以安裝在微芯片上?！白罱K，這將使量子慣性傳感器小型化到鞋盒或更小的大小，使其更適合各種應(yīng)用，”Kodigala 說。

以前，Kodigala 和他的同事探索了減小原子干涉儀尺寸、重量和功率需求的方法。例如，他們用鱷梨大小的真空室取代了大型、耗電的真空泵，并將通常巧妙排列在光學(xué)平臺上的幾個組件整合到一個剛性裝置中。

在一項新的研究中，研究人員在“大約一分錢大小”的芯片上的激光系統(tǒng)中使用了他們的四個新調(diào)制器，Kodigala 說。這些設(shè)備改變了單個激光器的頻率，以幫助它執(zhí)行多個激光器在原子干涉儀中的作用。

光子調(diào)制器通常會產(chǎn)生不需要的回波，稱為邊帶，這可能會破壞傳感器性能。新的調(diào)制器將這些邊帶降低了前所未有的 47.8 分貝，該指標(biāo)通常用于描述聲音強度，但也適用于光強度。這導(dǎo)致調(diào)制器的邊帶強度下降了近 100,000 倍。

小型化原子干涉儀的激光系統(tǒng)也可能有助于降低成本。研究人員說，使用與幾乎所有計算機芯片相同的工藝，可以在單個 8 英寸晶圓上制造數(shù)百個調(diào)制器，其成本比傳統(tǒng)原子干涉儀中笨重、昂貴的同類產(chǎn)品低得多。

“將其他光子組件集成到芯片級方面還有更多的工作要做，但這是一個很好的開始，也是同類產(chǎn)品中的首創(chuàng)，”Kodigala 談到該團(tuán)隊的最新研究時說。

研究人員確實將他們的新調(diào)制器集成到原子干涉儀中。雖然他們沒有直接測量其靈敏度，但“這款加速度計的最終性能還無法與目前最好的實驗室量子慣性傳感器競爭，”Kodigala 說?！拔覀冊谶@方面繼續(xù)取得進(jìn)展?！?br/>