量子传感里程碑使精确、无 GPS 导航更近一步
拆开智能手机、健身追踪器或虚拟现实耳机，你会发现里面有一个微型运动传感器，可以追踪其位置和运动。相同技术的更大、更昂贵的版本，大小与葡萄柚相当，但精确度高出一千倍，可借助 GPS 帮助船舶、飞机和其他车辆导航。现在，科学家们正试图制造一种非常精确的运动传感器，以最大限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灵敏一千倍——还要装满一辆行驶中的卡车。但进步正在大幅缩小这项技术的规模和成本。
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执行一种称为原子干涉法的量子传感技术，这是一种测量加速度的超精确方法。这是在 GPS 信号不可用时开发一种用于导航的量子罗盘的最新里程碑。
研究团队在《科学进展》杂志上作为封面故事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——一种在微芯片上控制光的设备。
这项研究得到了桑迪亚国家实验室指导研究与开发计划的支持。部分研究在国家安全光子学中心进行，该中心是一个合作研究中心，致力于为国家安全领域的复杂问题开发集成光子学解决方案。
无 GPS 导航事关国家安全
桑迪亚国家实验室的科学家李钟敏说：“在现实场景中，当 GPS 信号不可用时，精确导航就成为一项挑战。”
在战区，这些挑战对国家安全构成了风险，因为电子战部队可以干扰或欺骗卫星信号来扰乱部队的调动和行动。
量子传感提供了一种解决方案。
李说：“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度，即使在没有 GPS 的区域也能实现精确导航。”
调制器是芯片级激光系统的核心
通常，原子干涉仪是一个占满一个小房间的传感器系统。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寻找减小其尺寸、重量和功耗的方法。他们已经用鳄梨大小的真空室取代了大型耗电真空泵，并将通常精心排列在光学台面上的几个部件整合成一个单一的刚性装置。
新型调制器是微芯片上激光系统的核心。它足够坚固，能够承受剧烈震动，将取代通常大小如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个激光器的频率以执行不同的功能。
然而，调制器通常会产生需要减轻的不需要的回声，称为边带。
桑迪亚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强度，但也适用于光强度），导致边带强度下降了近 100,000 倍。
桑迪亚国家实验室的科学家阿肖克·科迪加拉说：“与现有的产品相比，我们的性能有了显著的提高。”
硅器件可量产且更便宜
除了尺寸之外，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，而激光系统则需要调制器。
“仅一台全尺寸的单边带调制器（市售的）的价格就超过 10,000 美元，”李说。
将笨重、昂贵的组件小型化为硅光子芯片有助于降低这些成本。
Kodigala 表示：“我们可以在一块 8 英寸晶圆上制造数百个调制器，在一块 12 英寸晶圆上制造更多调制器。”
而且由于它们可以使用与几乎所有计算机芯片相同的工艺来制造，“这种复杂的四通道组件，包括额外的定制功能，与当今的商业替代品相比，可以以低得多的成本进行批量生产，从而能够以较低的成本生产量子惯性测量单元，”李说。
随着这项技术越来越接近实地部署，该团队正在探索导航以外的其他用途。研究人员正在研究它是否可以通过检测地下洞穴和资源对地球引力造成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、量子计算和光通信方面的潜力。
科迪加拉说：“我认为这真的令人兴奋。我们在很多不同应用的小型化方面取得了很大进展。”
多学科团队将量子罗盘概念变为现实
李和科迪加拉代表着一个多学科团队的两个部分。包括李在内的一半成员是量子力学和原子物理学专家。另一半成员和科迪加拉一样，是硅光子学专家——想象一下微芯片，但电路中流过的不是电流，而是光束。
这些团队在桑迪亚的微系统工程、科学和应用综合体进行合作，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。
桑迪亚国家实验室量子传感科学家彼得·施温特 (Peter Schwindt) 表示：“我们可以与同事们一起讨论这个问题，并找出如何解决这些关键问题，让这项技术得以推广。”
该团队的宏伟计划是将原子干涉仪变成一个紧凑型量子罗盘，这将弥补学术机构的基础研究与科技公司的商业开发之间的差距。原子干涉仪是一项经过验证的技术，可以成为 GPS 导航的绝佳工具。桑迪亚国家实验室的持续努力旨在使其更加稳定、更适合现场使用并具有商业可行性。
国家安全光子学中心与行业、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。桑迪亚国家实验室拥有数百项已颁发的专利和数十项正在申请的专利，这些专利支持着其使命。
施温特说：“我热切希望看到这些技术能够投入实际应用。”
桑迪亚国家实验室的科学家迈克尔·盖尔 (Michael Gehl) 从事硅光子学研究，他也有同样的热情。他说：“很高兴看到我们的光子芯片被用于实际应用。”
更多信息： Ashok Kodigala 等人，用于冷原子干涉测量的高性能硅光子单边带调制器，Science Advances (2024)。DOI ：10.1126/sciadv.ade4454
期刊信息： Science Advances
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