高科技量子传感器：当GPS陷入失效时继续实现高精度惯性导航

量子惯性传感器是一种非凡的科学仪器，它可以测量运动，比帮助今天的导弹、无人机和飞机导航的设备要精确一千倍。然而，其精致的、桌子大小的组件阵列，包括一个复杂的激光和真空系统，基本上使该技术被禁锢在实验室的控制环境中。

Lee Jongmin希望改变这种状况。这位原子物理学家是桑迪亚大学一个团队的成员，该团队设想将量子惯性传感器作为革命性的机载导航辅助工具。该团队正在努力将传感器重新设计成一个紧凑、坚固的设备，当GPS信号被干扰或丢失时，该技术可以持续安全地引导车辆。

在实现其愿景的一个重要里程碑中，该团队已成功构建了一个冷原子干涉仪。这是量子传感器的一个核心部件，他们的版本被设计成比典型的实验室设置要小得多，也更坚固。该团队在最近发表在学术期刊《自然通讯》上的一篇论文中描述了他们的原型，展示了如何将几个通常分离的组件整合到一个单一的单片结构中。在这样做的过程中，他们将一个存在于大型光学桌上的系统的关键部件减少到一个大约鞋盒大小的结实的包装。

足够坚硬吗？- 桑迪亚原子物理学家Jongmin Lee检查了一个冷原子干涉仪的传感器头，它可以帮助车辆在没有GPS的情况下保持方向。资料来源：Bret Latter的照片

Jongmin说："我们在实验室里已经证明了非常高的灵敏度，但实际问题是，对于现实世界的应用，人们需要缩小尺寸、重量和功率，然后在动态环境中克服各种问题。"

该论文还描述了利用正在开发的技术使系统进一步小型化的路线图。该原型由桑迪亚的实验室指导研究和开发计划资助，表明在将先进的导航技术带出实验室并用于地面、地下、空中甚至太空的车辆方面取得了重大进展。

全球定位系统（GPS）是一个由轨道卫星组成的星座，为全世界的军事和民用用户提供位置、导航和计时数据。GPS卫星每12小时绕地球运行一次，不断发射导航信号。通过适当的设备，用户可以接收至少四个卫星信号来计算时间、位置和速度。这些信号非常精确，时间可以计算到百万分之一秒之内，速度可以计算到每小时几分之一英里之内，而位置可以计算到100英尺之内。

超灵敏的测量驱动导航能力

当喷气机在天空中做桶状翻滚时，目前的机载导航技术可以测量飞机的倾斜、转弯和加速度，以便在没有GPS的情况下计算出它的位置，Jongmin表示，在一段时间内。除非定期与卫星同步，否则微小的测量误差会逐渐使飞行器偏离航线。量子惯性传感器的区别和优势在于，虽然以同样的方式运作，但更高的精确度意味着机载导航不需要经常交叉检查其计算结果，从而减少对卫星系统的依赖。

参与该项目的博士后研究员Roger Ding说："原则上，不存在制造上的变化和校准，相比之下，传统的传感器会随着时间的推移而变化，需要重新校准。"

该项目的首席工程师Aaron Ison说，为了让原子干涉仪做好动态环境的准备，他和他的团队使用了在极端环境中被证实可持续的材料。此外，通常独立的零件被整合在一起并固定在原地，或者用手动锁定机制来建造。"一个具有尽可能少的螺栓接口的整体结构是创造一个更坚固的原子干涉仪结构的关键。"

此外，该团队使用称为有限元分析的行业标准计算来预测该系统在常规环境下的任何变动都将落在所需的允许范围内。但目前没有对新设计进行机械应力测试或现场测试，因此需要进一步研究以测量该设备的强度。

整体的小而紧凑的设计自然会带来一个更坚硬更坚固的结构，光子学照亮了通往更小型化系统的道路。

出于稳定性的考虑，大多数现代原子干涉测量实验都使用安装在一个大型光学平台上的激光器系统。桑迪亚的装置相对来说比较紧凑，但该团队已经想出了进一步的设计改进，利用集成光子技术使量子传感器变得更小。

该项目的主要研究人员、量子传感专家Peter Schwindt说："有几十到几百个元素可以放在一个比一分钱还小的芯片上。"

光子设备，如激光器或光纤，使用光来执行有用的工作，集成设备包括许多不同的元素。光子学被广泛用于电信领域，正在进行的研究正在使它们变得更小，功能更多。随着进一步的改进，彼得认为一个干涉仪所需的空间可以小到几升。他的梦想是制作一个汽水罐大小的干涉仪。

在他们的论文中，桑迪亚团队概述了一个未来的设计，其中他们的大部分激光装置被一个单一的光子集成电路所取代，每边大约8毫米。将光学元件集成到一个电路中，不仅可以使原子干涉仪更小，而且还可以通过将元件固定在原位而使其更加坚固耐用。

虽然该团队还不能做到这一点，但他们所需要的许多光子技术目前正在桑迪亚开发。"这是一条通往高度微型化系统的可行之路，"Roger说。同时，Jongmin说，集成光子电路将可能降低成本，并提高未来制造的可扩展性。"桑迪亚对导航领域的量子传感的未来展示了一个雄心勃勃的愿景。"