量子导航技术新突破：不再依赖GPS卫星的精确定位导航

在量子传感技术领域，我们正接近一个里程碑，这将实现无需全球定位系统（GPS）的超精确导航。桑迪亚国家实验室的科学家们首次使用硅光子微芯片组件执行了一种称为原子干涉测量的量子传感技术，这是一种测量加速度的超精确方法。这是开发一种量子罗盘的重要里程碑，这种罗盘可以在GPS信号不可用时用于导航。

智能手机、健身追踪器或虚拟现实头显内部都装有微型运动传感器，用于追踪其位置和运动。体积更大、价格更高的类似技术（约葡萄柚大小，精确度是现有设备的一千倍）在GPS辅助下帮助船只、飞机和其他交通工具导航。
现在，科学家们正尝试制造一种如此精确的运动传感器，以至于它可以最大程度地减少国家对全球定位卫星的依赖。直到最近，这种传感器——比今天的导航级设备敏感一千倍——还会占据一辆搬家卡车的空间。但是技术进步正显著缩小这项技术的大小和成本。

桑迪亚国家实验室的研究人员在《科学进展》杂志的封面故事中发表了他们的发现，并介绍了一种新型高性能硅光子调制器——一种在微芯片上控制光的设备。
桑迪亚科学家Jongmin Lee说：“当GPS信号不可用时，精确导航在现实世界场景中成为一个挑战。”在战区，这些挑战构成国家安全风险，因为电子战单位可以干扰或欺骗卫星信号，扰乱部队的移动和行动。
Lee说：“通过利用量子力学原理，这些先进传感器在测量加速度和角速度方面提供无与伦比的精确度，即使在GPS被拒绝的区域也能实现精确导航。”

通常，原子干涉仪是一个占地虽小但设备众多的传感器系统。一个完整的量子罗盘——更准确地称为量子惯性测量单元——将需要六个原子干涉仪。
但是Lee和他的团队一直在寻找缩小其尺寸、重量和功率需求的方法。他们已经用一个鳄梨大小的真空室取代了一个大型、耗电的真空泵，并将通常精细布置在光学桌上的几个组件整合到一个单一的、坚固的装置中。
新型调制器是微芯片上激光系统的核心。它足够坚固，能够承受剧烈振动，将取代通常大小相当于冰箱的传统激光系统。激光器在原子干涉仪中执行多项工作，桑迪亚团队使用四个调制器来改变单一激光的频率以执行不同的功能。然而，调制器经常产生不需要的回声，称为旁带，需要减轻。

桑迪亚的抑制载波单边带调制器通过前所未有的47.8分贝降低了这些旁带——这是一种通常用于描述声音强度但同样适用于光强度的度量——导致几乎100,000倍的下降。桑迪亚科学家Ashok Kodigala说：“与市场上的其他产品相比，我们的性能有了巨大的提升。”

除了尺寸，成本也是部署量子导航设备的主要障碍。每个原子干涉仪都需要一个激光系统，激光系统需要调制器。Lee说：“仅一个全尺寸的单边带调制器，一个商业上可获得的调制器，就超过10,000美元。”将笨重、昂贵的组件微型化为硅光子芯片有助于降低这些成本。Kodigala说：“我们可以在单个8英寸晶圆上制造数百个调制器，在12英寸晶圆上甚至更多。”
由于它们可以利用几乎所有计算机芯片的相同工艺进行制造，“这种复杂的四通道组件，包括额外的定制功能，可以以比今天商业替代品更低的成本大规模生产，从而以降低的成本生产量子惯性测量单元，”Lee说。
随着技术接近现场部署，团队正在探索导航之外的其他用途。研究人员正在调查它是否可以通过检测地球引力场的微小变化来帮助定位地下洞穴和资源。他们还看到他们在光学组件方面的发明，包括调制器，在激光雷达、量子计算和光通信方面的潜力。
Lee和Kodigala代表了多学科团队的两个部分。其中一半，包括Lee，是量子力学和原子物理的专家。另一半，像Kodigala，是硅光子学的专家——想象一下微芯片，但不是电流通过其电路，而是光束。
这些团队在桑迪亚的微系统工程、科学和应用综合设施中合作，研究人员在那里为国家安全应用设计、生产和测试芯片。桑迪亚的量子传感科学家Peter Schwindt说：“我们有同事，我们可以沿着走廊走过去，和他们讨论如何解决这些关键问题，让这项技术进入现场。”
团队的宏伟计划——将原子干涉仪变成一个紧凑的量子罗盘——弥合了学术机构的基础研究和科技公司的商业开发之间的差距。原子干涉仪是一种经过验证的技术，可以成为GPS拒绝导航的极好工具。桑迪亚的持续努力旨在使其更稳定、更实用、商业上更可行。
国家安全光子中心与工业界、小企业、学术界和政府机构合作，开发新技术并帮助推出新产品。桑迪亚拥有数百项已发布的专利和数十项正在申请的专利，支持其使命。
请在评论区分享您对这项可能改变我们导航方式的量子罗盘技术的看法，以及您认为它将如何影响未来的旅行和探索。让我们一起探讨这项激动人心的科技进步如何塑造我们的世界。

参考资料：DOI： 10.1126/sciadv.ade4454