量子导航新突破！全新3D量子传感器将精度提升50倍

光子盒研究院出品

在最近发布在arXiv上的一篇预印本论文中[1]，法国国家科学研究中心的一个团队描述了一个量子加速度计，它使用激光和超冷铷原子；相较经典器件，可以以50倍的精度优越性测量三维运动。这项工作将量子加速计扩展到了第三维度，可以在没有GPS的情况下带来精确的导航。

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3D模式的原子干涉仪，测量物质的波状属性

我们已经每天都在依赖加速度计。拿起一部手机，显示屏就会亮起来；把它转过来，正在阅读的页面就会转换方向。一个微小（基本上是一个连接在类似弹簧的机制上的质量）的机械加速度计与其他传感器，如陀螺仪一起使这些动作成为可能。每当手机在空间中移动时，它的加速计就会跟踪这一运动：甚至包括GPS掉线时的短暂时间，如在隧道或手机信号死角。

尽管它们很有用，但机械加速度计往往会漂移失调。意思是，放置足够长的时间，它们就会积累成千米级的误差。这对与GPS短暂失联的手机来说并不重要，但当设备长期在GPS范围之外旅行时，这就成为了一个问题。对于工业和军事应用来说，精确的位置跟踪在潜艇上是非常有用的，因为潜艇在水下无法使用GPS；或者，在船舶失去GPS时作为备用导航。

研究人员长期以来一直在开发量子加速度计，以提高位置跟踪的准确性：量子加速度计不是测量压缩弹簧的质量，而是测量物质的波状属性。这些设备使用激光来减缓和冷却原子云；在这种状态下，原子的行为就像光波一样，在它们移动时产生干扰模式。更多的激光器诱导并测量这些模式如何变化，以跟踪设备在空间中的位置。

早期，这些被称为原子干涉仪的设备，是由遍布实验室长椅的电线和仪器组成的一团“乱麻”，只能测量一个维度。但随着激光和专业技术的进步，它们变得更小、更坚固：现在它们已经变成了3D模式。

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首个3D量子加速度计：精度提升50倍

由法国团队开发的新的三维量子加速度计，看起来像一个金属盒子，长度与一台笔记本电脑差不多。它使用激光沿着所有三个空间轴来操纵和测量被困在一个小玻璃盒中的铷原子云，并将其冷却到绝对零度。像早期的量子加速度计一样，这些激光器在原子云中引起涟漪，并通过解释由此产生的干扰模式来测量运动。这是首个量子加速度计三元组（Quantum Accelerometer Triad, QuAT），它沿三个互为正交的方向测量加速度。

(a)量子加速度计三元组(QuAT)的设计概念和几何形状。加速度分量是沿垂直于波段kx、ky和kz的波段测量的。(b)安装在旋转平台上的传感器头的三维模型。

为了提高稳定性和带宽，以适应在实验室外使用的要求，新设备在一个利用两种技术优势的反馈回路中结合了经典和量子加速度计的读数。

由于该团队可以极其精确地控制原子，他们可以进行类似的精确测量。为了测试加速度计，他们将其连接到一个摇晃和旋转的桌子上，并发现该系统比经典的导航级传感器要精确50倍。在几个小时的时间里，由经典加速度计测量的设备的位置偏离了一公里；而量子加速度计将误差“钉”在了20米以内。

量子和经典加速度计之间的混合方案。左边的开环方案描述了过滤后的经典加速度计如何用于修正量子加速度计的振动。静态时，量子加速度计提供了由于重力引起的投影g的离散测量。右边的闭环方案显示了经典加速度计是如何通过比较其输出和量子加速度计的输出而定期进行偏置校正的。这里，混合加速度计的输出是连续的，在静态和动态情况下都能发挥作用：提供重力和运动引起的加速度a的投影之和。

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3D传感器是工程化的进步

尽管取得了重大成果，加速计仍然比较大、重，不会很快步入实用。但如果做得更小、更坚固，该团队说它可以被安装在船舶或潜艇上，用于精确导航；或者，它可以通过测量重力的细微变化，进入寻找矿藏的野外地质学家的手中。

更多的量子传感器，如陀螺仪，可能会加入这个行列。尽管它们在离开实验室之前还需要进行几轮的收缩和加固。

就目前而言，3D化是一个进步。

澳大利亚国立大学的John Close对这一成果这样评价[2]：“三维测量是一件大事，是实现量子加速度计任何实际用途的一个必要和出色的工程步骤。”

[1]https://arxiv.org/abs/2209.13209

[2]https://singularityhub.com/2022/10/31/new-3d-quantum-accelerometer-leaves-classical-sensors-in-the-dust/