用于高精度干涉仪的奇特量子效应

使用物质波放大、跟踪加速度，以前从未以便携式形式实现。（图片来源：网络）

来自法国的一组研究人员开发了第一个三向混合量子惯性传感器，它可以在不使用卫星信号的情况下测量加速度。这个突破性设备的核心是“物质波干涉测量”，它使用了量子力学的两个不同特征：波粒二象性和叠加性。

在云中

该装置由一团铷原子组成，这些铷原子被冷却到接近绝对零度的温度，放置在真空中，由于重力而处于自由落体状态。

一旦冷却，将激光照射在原子上，可在铷原子中产生物质波。根据量子力学定律，在极低的温度下，原子的行为不像标准粒子。它们也表现为波，可以像光一样发生衍射和干涉。

在激光束击中原子后，它们的能量状态首先会发生变化。

法国光学研究所教授兼荷兰国家量子计划Quantum Delta NL量子传感计划协调员Philippe Bouyer说：“根据量子力学，原子可以同时处于基态和激发态。换句话说，原子吸收了一些光，但同时没有吸收任何光。这种奇特的状态被称为量子叠加。”

论文的共同作者Bouyer说：“处于这种状态的铷原子像是两个朝不同方向发展的物质波：一种是原子遵循其轨迹的状态，就好像它从未与光相互作用一样；另一种波则遵循轨迹，就好像它被光推动了一样。”

快速且连续发送的第二个激光脉冲反转成两种状态，而第三个脉冲确保路径重叠，从而实现干扰。该过程连续重复三次，每次激光束在不同的方向轴上对齐。

当设备改变其动量时，干涉条纹会发生变化。这种情况下，反射镜将激光束从激光源反射到铷原子上。

Bouyer说：“每个轴上有一个镜子反映激光的位置，原子由于重力不断下降，所以测量的是镜子和原子之间的相对加速度。”

高精度

量子惯性传感器不需要任何校准，因为原子的能级、光的频率以及它对应的光子动量是事先知道的。除了发生干涉所需的时间和激光的频率外，还可以使用力学方程计算加速度。

此外，在接近绝对零度的温度下，原子的运动速度可以控制在1cm/s的精度，而不是室温下的500m/s，可以检测到速度的微小变化。

但是，传感器有一个缺点：它不能进行连续测量。例如，在测量干涉条纹时，如果在100ms时间内有速度变化，就没有办法测量。

Bouyer和他的团队通过将量子传感器与经典加速度计集成，找到了解决这个问题的方法。共同作者Baptiste Battelier说：“我们使用量子测量，来原位校正经典加速度计的不完美测量，输出的是校正信号。新传感器发出稳定的信号，精度是经典加速度计的50倍。这就是混合传感器不需要通过卫星提供的外部信号进行偏置校正的原因。不过，这些并不会很快就会出现在我们的手机中。因为所有硬件大约要占1立方米的空间，成本约数十万美元。这种传感器可用于潜艇、飞机和船只，它的最大优势是隐私和自主性。”

编译：卉可

​编辑：慕一