新型激光器可以将 GPS 替代品塞进鞋盒

极其灵敏的运动传感器可以帮助船舶跟踪其在海上的位置，即使在恶劣的天气或军事对手干扰 GPS 信号时也是如此。然而，这些先进的传感器通常具有实验室规模。现在，研究人员开发了一种新的激光系统，以帮助使这些传感器适合放在鞋盒中，并且有可能进行大规模生产。

可穿戴设备中的运动传感器通常对千分之一 g 范围内的加速度敏感。新墨西哥州阿尔伯克基桑迪亚国家实验室的研究科学家 Ashok Kodigala 说，更大、更昂贵的加速度计可以帮助轮船、飞机和其他车辆在没有 GPS 的情况下导航，它大约有葡萄柚那么大，并且“具有 100 微克左右的灵敏度”。

冷原子干涉仪比这两种移动加速度计都更准确。Kodigala 说，这些传感器目前的灵敏度为十亿分之一 g，未来可能达到万亿分之一 g。

原子干涉仪是量子传感器的例子，它依赖于在宇宙最微小尺度上出现的奇怪现象。这些量子效应对外部干扰非常脆弱，量子传感器利用这一脆弱性来响应环境中最轻微的干扰。量子传感器的灵敏度和准确性达到了前所未有的水平，可用于检测思想磁场等潜在应用。

Atom 干涉仪的工作原理

原子干涉仪依赖于一种称为叠加的量子效应，其中一个原子基本上可以同时存在于两个或多个地方。传感器具有这些原子的薛定谔猫状状态沿不同的路径传播，然后重新组合它们。由于波粒二象性（粒子可以像波一样作用的量子现象，反之亦然），这些原子相互干涉，它们的波峰和波谷相互增强或抑制。分析这种干扰的性质可以揭示在它们各自的路径上所经历的略有不同的运动的程度。

Atom 干涉仪可以实现无 GPS 导航。帮助实现全球导航卫星系统的卫星链路在地下或水下都不起作用，即使它们工作，也容易受到干扰、欺骗甚至天气的影响。量子运动传感器可以帮助作为惯性导航系统的基础，该系统不依赖于任何外部信号。

“除了导航之外，量子惯性传感器的精度和稳定性也使其适合从太空绘制地球引力图，以研究水、冰盖和海平面的运动以进行气候分析，”Kodigala 说。

然而，原子干涉仪通常足够大，可以填满一个小房间。“即使是移动设备也有迷你冰箱那么大，”Kodigala 说。

原子干涉仪中的激光系统将原子驱动到叠加状态，这是仪器中最复杂的组件。它们每个通常都与冰箱大小差不多。

收缩原子干涉仪

现在，Kodigala 和他的同事们开发了一种硅光子调制器——一种在原子干涉仪中控制光的装置——可以安装在微芯片上。“最终，这将使量子惯性传感器小型化到鞋盒或更小的大小，使其更适合各种应用，”Kodigala 说。

以前，Kodigala 和他的同事探索了减小原子干涉仪尺寸、重量和功率需求的方法。例如，他们用鳄梨大小的真空室取代了大型、耗电的真空泵，并将通常巧妙排列在光学平台上的几个组件整合到一个刚性装置中。

在一项新的研究中，研究人员在“大约一分钱大小”的芯片上的激光系统中使用了他们的四个新调制器，Kodigala 说。这些设备改变了单个激光器的频率，以帮助它执行多个激光器在原子干涉仪中的作用。

光子调制器通常会产生不需要的回波，称为边带，这可能会破坏传感器性能。新的调制器将这些边带降低了前所未有的 47.8 分贝，该指标通常用于描述声音强度，但也适用于光强度。这导致调制器的边带强度下降了近 100,000 倍。

小型化原子干涉仪的激光系统也可能有助于降低成本。研究人员说，使用与几乎所有计算机芯片相同的工艺，可以在单个 8 英寸晶圆上制造数百个调制器，其成本比传统原子干涉仪中笨重、昂贵的同类产品低得多。

“将其他光子组件集成到芯片级方面还有更多的工作要做，但这是一个很好的开始，也是同类产品中的首创，”Kodigala 谈到该团队的最新研究时说。

研究人员确实将他们的新调制器集成到原子干涉仪中。虽然他们没有直接测量其灵敏度，但“这款加速度计的最终性能还无法与目前最好的实验室量子惯性传感器竞争，”Kodigala 说。“我们在这方面继续取得进展。”