量子传感的一个里程碑即将到来，有望实现极其精确的、无需GPS的导航。

拆开智能手机、健身追踪器或虚拟现实耳机，你会发现里面有一个微小的运动传感器，可以跟踪它的位置和运动。相同技术的更大、更昂贵的版本，大约有一个葡萄柚大小，精度要高1000倍，可以在GPS的帮助下为船只、飞机和其他车辆导航。

现在，科学家们正试图制造一种精确的运动传感器，以最大限度地减少国家对全球定位卫星的依赖。直到最近，这样的传感器 —— 比今天的导航级设备灵敏一千倍 —— 足以装满一辆移动的卡车。但技术的进步正在极大地缩小这种技术的尺寸和成本。

桑迪亚国家实验室的研究人员首次使用硅光子微芯片组件来执行一种称为“原子干涉测量”的量子传感技术，这是一种超精确的测量加速度的方法。这是开发一种量子指南针的最新里程碑，可以在GPS信号无法使用的情况下进行导航。

该团队发表了他们的发现，并在《科学进展》杂志的封面故事中介绍了一种新的高性能硅光子调制器 —— 一种控制微芯片上光的装置。

这项研究得到了桑迪亚实验室指导研究和发展项目的支持。它部分发生在国家安全光子学中心，这是一个为国家安全部门的复杂问题开发集成光子学解决方案的合作研究中心。

无GPS导航关系到国家安全

桑迪亚大学的科学家Jongmin Lee说：“在没有GPS信号的情况下，精确导航成为现实世界中的一个挑战。”

在战区，这些挑战构成了国家安全风险，因为电子战部队可以干扰或欺骗卫星信号，扰乱部队的行动和行动。

量子传感提供了一个解决方案。

Jongmin Lee表示：“通过利用量子力学原理，这些先进的传感器在测量加速度和角速度方面提供了无与伦比的精度，即使在没有GPS的地区也能实现精确导航。”

调制器是芯片级激光系统的核心部件

通常，原子干涉仪是一个充满小房间的传感器系统。一个完整的量子罗盘 —— 更准确地说是量子惯性测量单元 —— 需要6个原子干涉仪。

但Jongmin Lee和他的团队一直在寻找减小其尺寸、重量和电力需求的方法。他们已经用一个鳄梨大小的真空室取代了一个大而耗电的真空泵，并将几个通常精心布置在光学台上的组件整合到一个单一的刚性设备中。

这种新型调制器是微芯片激光系统的核心部件。它足够坚固，可以承受剧烈的振动，将取代一般有冰箱大小的传统激光系统。

激光在原子干涉仪中执行多项工作，桑迪亚研究小组使用四个调制器来改变单个激光的频率，以执行不同的功能。

然而，调制器经常产生不必要的回声，称为边带，需要减轻。

桑迪亚国家实验室的抑制载波单边带调制器，将这些边带降低了前所未有的47.8分贝 —— 这一指标通常用于描述声音强度，但也适用于光强度 —— 导致近10万倍的下降。

桑迪亚大学的科学家Ashok Kodigala说：“与现有的相比，我们已经大大提高了性能。”

硅器件可批量生产，价格更实惠

除了尺寸之外，成本一直是部署量子导航设备的主要障碍。每个原子干涉仪都需要一个激光系统，而激光系统又需要调制器。

“仅仅是一个全尺寸的单边带调制器，一个商用的，就超过1万美元，”Jongmin Lee说。

将体积庞大、价格昂贵的元件小型化成硅光子芯片有助于降低这些成本。

Kodigala说：“我们可以在一块8英寸的晶圆上制造数百个调制器，在一块12英寸的晶圆上甚至可以制造更多。”

由于它们可以使用几乎所有计算机芯片相同的工艺制造，Jongmin Lee说：“与今天的商业替代品相比，这种复杂的四通道组件，包括额外的定制功能，可以以更低的成本批量生产，从而能够以更低的成本生产量子惯性测量单元。”

随着该技术离现场部署越来越近，该团队正在探索导航以外的其他用途。研究人员正在研究它是否可以通过探测地球引力的微小变化，来帮助定位地下洞穴和资源。他们还看到了他们发明的光学元件，包括调制器，在激光雷达、量子计算和光通信方面的潜力。

“我认为这真的很令人兴奋，”Kodigala说。“我们在许多不同应用的小型化方面取得了很大进展。”

多学科团队将量子罗盘概念变为现实

Lee和Kodigala代表了一个多学科团队的两个部分。其中一半由量子力学和原子物理学专家组成。另一半，像Kodigala一样，是硅光子学的专家 —— 想象一下微芯片，但电路中没有电流，而是光束。

这些团队在桑迪亚的微系统工程、科学和应用中心进行合作，研究人员在这里设计、生产和测试用于国家安全应用的芯片。

桑迪亚的量子传感科学家Peter Schwindt说：“我们有同事，我们可以在大厅里讨论这个问题，并找出如何解决这些关键问题，使这项技术应用于实际。”

该团队的宏伟计划 —— 把原子干涉仪变成一个紧凑的量子指南针 —— 弥合了学术机构的基础研究和科技公司的商业开发之间的差距。原子干涉仪是一项经过验证的技术，可以成为GPS拒绝导航的绝佳工具。Sandia正在进行的努力旨在使其更加稳定、可开采和商业可行性。

国家安全光子学中心与工业界、小企业、学术界和政府机构合作，开发新技术并帮助推出新产品。桑迪亚拥有数百项已发布的专利，还有数十项正在申请中，以支持其使命。

Schwindt说：“我对看到这些技术进入实际应用充满热情。”

桑迪亚研究硅光子学的科学家Michael Gehl也有同样的热情。他说：“看到我们的光子芯片被用于实际应用，真是太棒了。”

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！