來自法國(guó)的一組研究人員開發(fā)了第一個(gè)三向混合量子慣性傳感器，它可以在不使用衛(wèi)星信號(hào)的情況下測(cè)量加速度。這個(gè)突破性設(shè)備的核心是“物質(zhì)波干涉測(cè)量”，它使用了量子力學(xué)的兩個(gè)不同特征：波粒二象性和疊加性。

在云中

該裝置由一團(tuán)銣原子組成，這些銣原子被冷卻到接近絕對(duì)零度的溫度，放置在真空中，由于重力而處于自由落體狀態(tài)。

一旦冷卻，將激光照射在原子上，可在銣原子中產(chǎn)生物質(zhì)波。根據(jù)量子力學(xué)定律，在極低的溫度下，原子的行為不像標(biāo)準(zhǔn)粒子。它們也表現(xiàn)為波，可以像光一樣發(fā)生衍射和干涉。

在激光束擊中原子后，它們的能量狀態(tài)首先會(huì)發(fā)生變化。

法國(guó)光學(xué)研究所教授兼荷蘭國(guó)家量子計(jì)劃Quantum Delta NL量子傳感計(jì)劃協(xié)調(diào)員Philippe Bouyer說：“根據(jù)量子力學(xué)，原子可以同時(shí)處于基態(tài)和激發(fā)態(tài)。換句話說，原子吸收了一些光，但同時(shí)沒有吸收任何光。這種奇特的狀態(tài)被稱為量子疊加?！?/p>

論文的共同作者Bouyer說：“處于這種狀態(tài)的銣原子像是兩個(gè)朝不同方向發(fā)展的物質(zhì)波：一種是原子遵循其軌跡的狀態(tài)，就好像它從未與光相互作用一樣；另一種波則遵循軌跡，就好像它被光推動(dòng)了一樣?！?/p>

快速且連續(xù)發(fā)送的第二個(gè)激光脈沖反轉(zhuǎn)成兩種狀態(tài)，而第三個(gè)脈沖確保路徑重疊，從而實(shí)現(xiàn)干擾。該過程連續(xù)重復(fù)三次，每次激光束在不同的方向軸上對(duì)齊。

當(dāng)設(shè)備改變其動(dòng)量時(shí)，干涉條紋會(huì)發(fā)生變化。這種情況下，反射鏡將激光束從激光源反射到銣原子上。

Bouyer說：“每個(gè)軸上有一個(gè)鏡子反映激光的位置，原子由于重力不斷下降，所以測(cè)量的是鏡子和原子之間的相對(duì)加速度?！?/p>

高精度

量子慣性傳感器不需要任何校準(zhǔn)，因?yàn)樵拥哪芗?jí)、光的頻率以及它對(duì)應(yīng)的光子動(dòng)量是事先知道的。除了發(fā)生干涉所需的時(shí)間和激光的頻率外，還可以使用力學(xué)方程計(jì)算加速度。

此外，在接近絕對(duì)零度的溫度下，原子的運(yùn)動(dòng)速度可以控制在1cm/s的精度，而不是室溫下的500m/s，可以檢測(cè)到速度的微小變化。

但是，傳感器有一個(gè)缺點(diǎn)：它不能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。例如，在測(cè)量干涉條紋時(shí)，如果在100ms時(shí)間內(nèi)有速度變化，就沒有辦法測(cè)量。

Bouyer和他的團(tuán)隊(duì)通過將量子傳感器與經(jīng)典加速度計(jì)集成，找到了解決這個(gè)問題的方法。共同作者Baptiste Battelier說：“我們使用量子測(cè)量，來原位校正經(jīng)典加速度計(jì)的不完美測(cè)量，輸出的是校正信號(hào)。新傳感器發(fā)出穩(wěn)定的信號(hào)，精度是經(jīng)典加速度計(jì)的50倍。這就是混合傳感器不需要通過衛(wèi)星提供的外部信號(hào)進(jìn)行偏置校正的原因。不過，這些并不會(huì)很快就會(huì)出現(xiàn)在我們的手機(jī)中。因?yàn)樗杏布蠹s要占1立方米的空間，成本約數(shù)十萬美元。這種傳感器可用于潛艇、飛機(jī)和船只，它的最大優(yōu)勢(shì)是隱私和自主性。”

編譯：卉可

編輯：慕一