新型激光器可以將 GPS 替代品塞進鞋盒

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，這些先進的傳感器通常具有實驗室規模。現在，研究人員開發了一種新的激光系統，以幫助使這些傳感器適合放在鞋盒中，并且有可能進行大規模生產。

可穿戴設備中的運動傳感器通常對千分之一 g 范圍內的加速度敏感。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的奇怪現象。這些量子效應對外部干擾非常脆弱，量子傳感器利用這一脆弱性來響應環境中最輕微的干擾。量子傳感器的靈敏度和準確性達到了前所未有的水平，可用于檢測思想磁場等潛在應用。

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，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可以揭示在它們各自的路徑上所經歷的略有不同的運動的程度。

Atom 干涉儀可以實現無 GPS 導航。幫助實現全球導航衛星系統的衛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航系統的基礎，該系統不依賴于任何外部信號。

“除了導航之外，量子慣性傳感器的精度和穩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。“即使是移動設備也有迷你冰箱那么大，”Kodigala 說。

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

收縮原子干涉儀

現在，Kodigala 和他的同事們開發了一種硅光子調制器——一種在原子干涉儀中控制光的裝置——可以安裝在微芯片上。“最終，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中使用了他們的四個新調制器，Kodigala 說。這些設備改變了單個激光器的頻率，以幫助它執行多個激光器在原子干涉儀中的作用。

光子調制器通常會產生不需要的回波，稱為邊帶，這可能會破壞傳感器性能。新的調制器將這些邊帶降低了前所未有的 47.8 分貝，該指標通常用于描述聲音強度，但也適用于光強度。這導致調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 英寸晶圓上制造數百個調制器，其成本比傳統原子干涉儀中笨重、昂貴的同類產品低得多。

“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，也是同類產品中的首創，”Kodigala 談到該團隊的最新研究時說。

研究人員確實將他們的新調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。“我們在這方面繼續取得進展。”