Quantum 传感器跟踪 3D 运动
在一项新研究中，科罗拉多大学博尔德分校的物理学家使用冷却到极冷温度的原子云来同时测量三维加速度——许多科学家认为这一壮举是不可能的。 该设备是一种新型的原子“干涉仪”，有朝一日可以帮助人们更精确地导航潜艇、航天器、汽车和其他车辆。 “传统的原子干涉仪只能测量单个维度的加速度，但我们生活在一个三维世界中，“这项新研究的合著者、科罗拉多大学博尔德分校物理系研究生肯德尔·梅林 （Kendall Mehling） 说。 “要知道我要去哪里，也要知道我去过哪里，我需要在所有三个维度上跟踪我的加速度。” 研究人员本月在《科学进展》杂志上发表了他们的论文，题为“光晶格中的矢量原子加速度测定法”。 该团队包括 Mehling; Catie LeDesma，博士后研究员物理; 以及物理学教授兼 JILA 研究员 Murray Holland，JILA 是科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院 （NIST） 的联合研究机构。 2023 年，NASA 通过该机构的量子途径研究所向科罗拉多大学博尔德分校的研究人员提供了 550 万美元的赠款，以继续开发传感器技术。 新设备是工程学的奇迹：Holland 和他的同事使用六台像人发丝一样细的激光器来固定数十个云数千个铷原子就位。 然后，在人工智能的帮助下，他们以复杂的模式纵这些激光器——使团队能够测量原子对小加速度的反应时的行为，例如踩下汽车的油门踏板。 如今，大多数车辆使用 GPS 和称为加速度计的传统或“经典”电子设备来跟踪加速度。 该团队的量子设备在与这些工具竞争之前还有很长的路要走。 但研究人员看到了基于 Atom 的导航技术的巨大前景。 “如果你将经典传感器放在不同的环境中多年，它就会老化和腐烂，”Mehling 说。 “你时钟中的弹簧会发生变化和扭曲。 原子不会老化。 运动指纹 干涉仪以某种形式存在了几个世纪——它们已被用于从通过光纤传输信息到搜索引力的所有工作波浪，或宇宙结构中的涟漪。 一般的想法包括把东西分开然后重新组装起来，就像解开拉链，然后拉上夹克的拉链一样。 例如，在激光干涉测量法中，科学家首先照射激光，然后将其分成两个相同的光束，分别通过两条不同的路径传播。 最终，他们将光束重新组合在一起。 如果激光在其旅程中经历了不同的影响，例如重力作用在以不同的方式进行啮合，则它们在重新组合时可能无法完美啮合。 换句话说，拉链可能会卡住。 研究人员可以根据曾经相同的两束光束现在如何相互干扰来进行测量——因此得名。 在目前的研究中，该团队取得了同样的壮举，但用原子而不是光。 的工作原理如下：该设备目前可以放在一个大约空气曲棍球桌大小的长凳上。 首先，研究人员将一组铷原子冷却至温度仅比绝对零度高十亿分之几度。 在那个寒冷的领域中，原子形成了一种神秘的物质量子态，称为玻色-爱因斯坦凝聚态 （BEC）。 2001 年，时任科罗拉多大学博尔德分校物理学家的 Carl Wieman 和 JILA 的 Eric Cornell 因创建了第一个 BEC 而获得诺贝尔奖。 接下来，该团队使用激光来晃动原子，将它们分开。 在这种情况下，这并不意味着原子群正在分离。 相反，每个单独的原子以一种称为叠加的幽灵量子态存在，在这种状态中，它可以同时出现在两个地方。 当原子分裂和分离时，这些幽灵会沿着两条不同的路径彼此远离。 （在目前的实验中，研究人员实际上并没有移动设备本身，而是使用激光推动原子，从而引起加速）。 “我们的玻色-爱因斯坦凝聚态是一个由原子组成的物质波池，我们投掷由小包制成的石头光线进入池塘，左右涟漪，“霍兰德说。 “一旦涟漪扩散开来，我们就会反射它们，并在它们干扰的地方将它们重新聚集在一起。” 当原子重新聚集在一起时，它们会形成一个独特的图案，就像两束激光飞驰在一起一样，但更复杂。 结果类似于玻璃上的拇指印。 “我们可以解码该指纹并提取原子所经历的加速度，”Holland 说。 规划计算机 该小组花了将近三年的时间构建设备以实现这一壮举。 “就其本身而言，目前的实验设备非常紧凑。 尽管我们有 18 束激光穿过包含原子云的真空系统，但整个实验足够小，有一天我们可以在现场部署，“LeDesma 说。 成功的秘诀之一归结为一种称为机器学习的人工智能技术。 Holland 解释道铷原子的分裂和重新组合需要通过复杂的多步骤过程来调整激光器。 为了简化流程，该小组训练了一个可以提前规划这些动作的计算机程序。 到目前为止，该设备只能测量比地球引力小几千倍的加速度。 目前可用的技术可以做得更好。 但该集团正在不断改进其工程设计，并希望提高性能在未来几年内，其量子装置的量程将增加数倍。 尽管如此，这项技术还是证明了原子的有用性。 “我们并不完全确定这项研究的所有可能后果，因为它打开了一扇门，”霍兰德说。