革命性的量子罗盘很快就能让无卫星导航成为现实

拆开智能手机、健身追踪器或VR头显，你会发现里面有一个微小的运动传感器，可以追踪手机的位置和运动。同样的技术还有更大、更昂贵的版本，它们只有一个葡萄柚大小，精确度高出上千倍，可帮助船舶、飞机和其他车辆在GPS的辅助下航行。

桑迪亚国家实验室的四通道硅光子单边带调制器芯片，每边尺寸为 8 毫米，标有绿色的桑迪亚雷鸟标志。资料来源：克雷格-弗里茨，桑迪亚国家实验室

量子传感领域的一个里程碑正日益临近，它有望实现极其精确的无 GPS 导航。

现在，科学家们正在尝试制造一种如此精确的运动传感器，它可以最大限度地减少国家对全球卫星定位的依赖。直到最近，这样一个传感器--灵敏度比现在的导航级设备高出一千倍，但它的体型庞大，需要一辆移动卡车才能搭载。但随着技术的进步，这种技术的体积和成本都在大幅缩小。

桑迪亚国家实验室的研究人员首次使用硅光子微芯片元件来执行一种名为原子干涉测量法的量子传感技术，这是一种超精确测量加速度的方法。这是开发一种量子指南针的最新里程碑，这种指南针可在没有全球定位系统信号的情况下进行导航。

桑迪亚国家实验室科学家 Jongmin Lee（左）在为原子干涉测量实验准备铷冷原子池，科学家 Ashok Kodigala（右）和 Michael Gehl 在初始化封装单边带调制器芯片的控制装置。资料来源：克雷格-弗里茨，桑迪亚国家实验室

研究小组在《科学进展》（Science Advances）杂志上以封面故事的形式发表了他们的研究成果，并介绍了一种新型高性能硅光子调制器（一种在微型芯片上控制光线的装置）。

这项研究得到了桑迪亚实验室指导研发计划的支持。研究部分是在国家安全光子中心进行的，该中心是一个合作研究中心，为国家安全部门的复杂问题开发集成光子解决方案。

桑迪亚科学家李钟民（Jongmin Lee）说："在现实世界中，当 GPS 信号不可用时，精确导航就成了一项挑战。在战区，这些挑战构成了国家安全风险，因为电子战部队可以干扰或欺骗卫星信号，扰乱部队的行动和作战。通过利用量子力学原理，这些先进的传感器在测量加速度和角速度方面提供了无与伦比的精确度，即使在GPS覆盖区域也能实现精确导航。"

通常情况下，一个原子干涉仪是一个传感器系统，可以填满一个小房间。一个完整的量子罗盘（更准确地说是量子惯性测量单元）需要六个原子干涉仪。

但李和他的团队一直在想方设法减小其体积、重量和功耗。他们已经用一个鳄梨大小的真空室取代了一个耗电的大型真空泵，并将通常在光学台上精巧排列的几个组件合并成了一个单一、坚固的仪器。

新型调制器是微芯片激光系统的核心。它坚固耐用，可承受剧烈振动，将取代通常只有冰箱大小的传统激光系统。

在原子干涉仪中，激光可以执行多种工作，桑迪亚团队使用四种调制器来改变单个激光的频率，以执行不同的功能。不过，调制器通常会产生不需要的回声，称为边带，需要加以缓解。

桑迪亚公司的抑制载波单边带调制器将这些边带降低了前所未有的47.8分贝--这一指标通常用于描述声音的强度，但也适用于光的强度--使其降低了近100000倍。

桑迪亚科学家阿肖克-科迪加拉（Ashok Kodigala）说："与现有技术相比，我们大幅提高了性能。"

除了体积，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，而激光系统需要调制器。仅一个全尺寸单边带调制器（市售）就超过 1 万美元。将体积庞大、价格昂贵的元件微型化为硅光子芯片，有助于降低这些成本。

科迪加拉说："我们可以在一个 8 英寸晶圆上制作数百个调制器，在一个 12 英寸晶圆上制作更多的调制器。由于它们可以使用与几乎所有计算机芯片相同的工艺制造，这种复杂的四通道组件，包括额外的定制功能，可以以比当今商业替代品低得多的成本大规模生产，从而能够以更低的成本生产量子惯性测量单元。"

随着这项技术越来越接近实地部署，研究小组正在探索导航以外的其他用途。研究人员正在研究该技术是否可以通过探测地球引力的微小变化来帮助定位地下洞穴和资源。他们还看到了他们发明的光学元件（包括调制器）在激光雷达、量子计算和光通信领域的应用潜力。

李和科迪加拉代表了多学科团队的两半。其中一半，包括李在内，由量子力学和原子物理学专家组成。另一半人，比如科迪加拉则是硅光子学方面的专家--想象一下一个微型芯片，但它的电路中运行的不是电，而是光束。

这些团队在桑迪亚的微系统工程、科学和应用综合大楼开展合作，研究人员在这里设计、生产和测试用于国家安全应用的芯片。

该团队的宏伟计划--将原子干涉仪转化为紧凑型量子罗盘--在学术机构的基础研究和科技公司的商业开发之间架起了一座桥梁。原子干涉仪是一项成熟的技术，可以成为不依赖全球定位系统导航的绝佳工具。桑迪亚正在进行的努力旨在使其更加稳定、实用和具有商业可行性。

国家安全光子中心与工业界、小型企业、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授权专利和数十项正在申请中的专利，这些专利都支持桑迪亚的使命。

编译自/ScitechDaily