桑迪亚（Sandia）团队构建冷原子干涉仪的核心组件

LPAI传感器头的横截面效果图。a，水平横截面显示具有固定光学元件的冷却束和原子检测通道。冷却通道光通过偏振保持（PM）光纤传递到传感器头，从中可以使用大准直高斯光束（D1 / e2≈28mm）进行冷却。光束被截断为直径≈19 mm，通过紧凑型LPAI传感器头中的熔融石英视口。然后，光线穿过偏振片和λ/4波片，然后照亮光栅芯片。GMOT原子（纯红色圆圈）形成≈距光栅表面3.5毫米。原子检测通道设计用于通过多模光纤耦合雪崩光电二极管（APD）模块测量原子荧光。b，传感器头的垂直横截面，显示为多普勒敏感拉曼设计的光束路径。交叉线性偏振拉曼光束从同一PM光纤发射，两个分量由偏振分束器（PBS）分开。固定光学元件以相反的方向将拉曼光束路由到GMOT原子（红色实心圆）。图片来源：自然通讯（2022）。DOI： 10.1038/s41467-022-31410-4

像“坚韧”或“坚固”这样的词很少与量子惯性传感器相关联。这种非凡的科学仪器可以比帮助导航当今导弹，飞机和无人机的设备精确测量运动一千倍。但是，其精致的桌面大小的组件阵列，包括复杂的激光和真空系统，在很大程度上使该技术接地气，并局限于实验室的受控设置。

李钟民希望改变这种状况。

这位原子物理学家是桑迪亚（Sandia）一个团队的一员，该团队将量子惯性传感器视为革命性的车载导航辅助工具。如果该团队能够将传感器重新设计成一个紧凑，坚固的设备，该技术可以安全地引导GPS信号被卡住或丢失的车辆。

在实现愿景的一个重要里程碑中，该团队成功构建了一个冷原子干涉仪，这是量子传感器的核心组件，其设计比典型的实验室设置更小，更坚固。该团队在学术期刊《自然通讯》上描述了他们的原型，展示了如何将几个通常分离的组件集成到一个单一的单体结构中。在此过程中，他们将大型光学工作台上存在的系统的关键组件简化为大约鞋盒大小的坚固包装。

“在实验室中已经证明了非常高的灵敏度，但实际问题是，对于实际应用，人们需要缩小尺寸，重量和功率，然后在动态环境中克服各种问题，”Jongmin说。

本文还描述了使用正在开发的技术进一步小型化系统的路线图。

该原型由桑迪亚的实验室指导研发计划资助，展示了将先进的导航技术从实验室转移到地面，地下，空中甚至太空中的车辆方面取得的重大进展。

用于高动态条件的紧凑型光脉冲原子干涉仪（LPAI）的概念。紧凑型LPAI传感器头的3D渲染，具有固定光学元件和可靠的光机械设计。b 传感器头中稳态GMOT原子的图片。图片来源：自然通讯（2022）。DOI： 10.1038/s41467-022-31410-4

超灵敏测量驱动导航动力

当喷气式飞机在天空中滚动时，目前的机载导航技术可以测量飞机的倾斜度，转弯和加速度，以便在没有GPS的情况下计算其位置。Jongmin说，除非车辆定期与卫星同步，否则小的测量误差会逐渐将车辆推离航向。

量子传感将以同样的方式运行，但更好的精度意味着机载导航不需要经常交叉检查其计算，从而减少了对卫星系统的依赖。

参与该项目的博士后研究员Roger Ding说，“原则上，没有制造变化和校准，”与传统传感器相比，传统传感器可能会随着时间的推移而变化，需要重新校准。

该项目的首席工程师Aaron Ison说，为了准备动态环境的原子干涉仪，他和他的团队使用了在极端环境中经过验证的材料。此外，通常独立和独立式的部件集成在一起并固定到位，或者使用手动锁定机构制造。

“具有尽可能少的螺栓接口的单片结构是创建更坚固的原子干涉仪结构的关键，”Aaron说。

此外，该团队使用称为有限元分析的行业标准计算来预测系统在传统环境中的任何变形都将落在所需的允许范围内。桑迪亚尚未对新设计进行机械应力测试或现场测试，因此需要进一步研究以测量设备的强度。

“整体小巧紧凑的设计自然会带来更坚硬，更坚固的结构，”Aaron说。

桑迪亚原子物理学家Jongmin Lee检查了冷原子干涉仪的传感器头，该传感器头可以帮助车辆在没有GPS的情况下保持航向。图片来源：布雷特·拉特

光子学照亮了通往更小型化系统的道路

罗杰说，出于稳定性原因，大多数现代原子干涉测量实验都使用安装在大型光学台上的激光系统。Sandia的设备相对紧凑，但该团队已经提出了进一步的设计改进，以使用集成的光子技术使量子传感器更小。

“有数十到数百个元素可以放置在小于一分钱的芯片上，”该项目的首席研究员，量子传感专家Peter Schwindt说。

光子器件（如激光或光纤）使用光来执行有用的工作，集成器件包括许多不同的元件。光子学广泛用于电信领域，正在进行的研究正在使它们更小，更通用。

随着进一步的改进，Peter认为干涉仪所需的空间可能只有几升。他的梦想是做一个苏打罐大小的罐头。

在他们的论文中，Sandia团队概述了未来的设计，其中大部分激光设置被单个光子集成电路取代，每侧约八毫米。将光学元件集成到电路中不仅可以使原子干涉仪更小，还可以通过将元件固定到位使其更加坚固。

虽然该团队还不能做到这一点，但他们所需的许多光子技术目前正在桑迪亚开发中。

“这是通往高度小型化的系统的可行途径，”罗杰说。

与此同时，Jongmin表示，集成光子电路可能会降低成本，并提高未来制造的可扩展性。

“桑迪亚对量子传感在导航领域的未来表现出了雄心勃勃的愿景，”Jongmin说。

更多信息：Jongmin Lee等人，一种具有高数据速率光栅磁光阱和光子集成电路兼容激光系统的紧凑型冷原子干涉仪，自然通信（2022）。DOI： 10.1038/s41467-022-31410-4