光子盒研究院出品

在最近釋出在arXiv上的一篇預印本論文中［1］，法國國家科學研究中心的一個團隊描述了一個量子加速度計，它使用鐳射和超冷銣原子；相較經典器件，可以以50倍的精度優越性測量三維運動。這項工作將量子加速計擴充套件到了第三維度，可以在沒有GPS的情況下帶來精確的導航。

01

3D模

式的原子干涉儀，測量物質的波狀屬性

我們已經每天都在依賴加速度計。拿起一部手機，顯示屏就會亮起來；把它轉過來，正在閱讀的頁面就會轉換方向。一個微小（基本上是一個連線在類似彈簧的機制上的質量）的機械加速度計與其他感測器，如陀螺儀一起使這些動作成為可能。每當手機在空間中移動時，它的加速計就會跟蹤這一運動：甚至包括GPS掉線時的短暫時間，如在隧道或手機訊號死角。

儘管它們很有用，但機械加速度計往往會漂移失調。

意思是，放置足夠長的時間，它們就會積累成千米級的誤差。這對與GPS短暫失聯的手機來說並不重要，但當裝置長期在GPS範圍之外旅行時，這就成為了一個問題。對於工業和軍事應用來說，精確的位置跟蹤在潛艇上是非常有用的，因為潛艇在水下無法使用GPS；或者，在船舶失去GPS時作為備用導航。

研究人員長期以來一直在開發量子加速度計，以提高位置跟蹤的準確性：量子加速度計不是測量壓縮彈簧的質量，而是測量物質的波狀屬性。

這些裝置使用鐳射來減緩和冷卻原子雲；在這種狀態下，原子的行為就像光波一樣，在它們移動時產生干擾模式。更多的鐳射器誘導並測量這些模式如何變化，以跟蹤裝置在空間中的位置。

早期，這些被稱為原子干涉儀的裝置，是由遍佈實驗室長椅的電線和儀器組成的一團“亂麻”，只能測量一個維度。但隨著鐳射和專業技術的進步，它們變得更小、更堅固：現在它們已經變成了3D模式。

02

首個3D量子加速度計：精度提升50倍

由法國團隊開發的新的三維量子加速度計，看起來像一個金屬盒子，長度與一臺膝上型電腦差不多。它使用鐳射沿著所有三個空間軸來操縱和測量被困在一個小玻璃盒中的銣原子雲，並將其冷卻到絕對零度。像早期的量子加速度計一樣，這些鐳射器在原子雲中引起漣漪，並透過解釋由此產生的干擾模式來測量運動。

這是首個量子加速度計三元組（Quantum Accelerometer Triad, QuAT），它沿三個互為正交的方向測量加速度。

（a）量子加速度計三元組（QuAT）的設計概念和幾何形狀。加速度分量是沿垂直於波段kx、ky和kz的波段測量的。（b）安裝在旋轉平臺上的感測器頭的三維模型。

為了提高穩定性和頻寬，以適應在實驗室外使用的要求，新裝置在一個利用兩種技術優勢的反饋迴路中結合了經典和量子加速度計的讀數。

由於該團隊可以極其精確地控制原子，他們可以進行類似的精確測量。

為了測試加速度計，他們將其連線到一個搖晃和旋轉的桌子上，並發現該系統比經典的導航級感測器要精確50倍。

在幾個小時的時間裡，由經典加速度計測量的裝置的位置偏離了一公里；而量子加速度計將誤差“釘”在了20米以內。

量子和經典加速度計之間的混合方案。左邊的開環方案描述了過濾後的經典加速度計如何用於修正量子加速度計的振動。靜態時，量子加速度計提供了由於重力引起的投影g的離散測量。右邊的閉環方案顯示了經典加速度計是如何透過比較其輸出和量子加速度計的輸出而定期進行偏置校正的。這裡，混合加速度計的輸出是連續的，在靜態和動態情況下都能發揮作用：提供重力和運動引起的加速度a的投影之和。

03

3D感測器是工程化的進步

儘管取得了重大成果，加速計仍然比較大、重，不會很快步入實用。但如果做得更小、更堅固，該團隊說它可以被安裝在船舶或潛艇上，用於精確導航；或者，它可以透過測量重力的細微變化，進入尋找礦藏的野外地質學家的手中。

更多的量子感測器，如陀螺儀，可能會加入這個行列。儘管它們在離開實驗室之前還需要進行幾輪的收縮和加固。

就目前而言，3D化是一個進步。

澳大利亞國立大學的John Close對這一成果這樣評價［2］：“三維測量是一件大事，是實現量子加速度計任何實際用途的一個必要和出色的工程步驟。”

參考連結：

［1］https：//arxiv。org/abs/2209。13209

［2］https：//singularityhub。com/2022/10/31/new-3d-quantum-accelerometer-leaves-classical-sensors-in-the-dust/