量子慣性傳感器是一種非凡的科學儀器，它可以測量運動，比幫助今天的導彈、無人機和飛機導航的設備要精確一千倍。然而，其精緻的、桌子大小的組件陣列，包括一個複雜的激光和真空系統，基本上使該技術被禁錮在實驗室的控制環境中。

Lee Jongmin希望改變這種狀況。這位原子物理學家是桑迪亞大學一個團隊的成員，該團隊設想將量子慣性傳感器作為革命性的機載導航輔助工具。該團隊正在努力將傳感器重新設計成一個緊湊、堅固的設備，當GPS信號被干擾或丟失時，該技術可以持續安全地引導車輛。

在實現其願景的一個重要里程碑中，該團隊已成功構建了一個冷原子乾涉儀。這是量子傳感器的一個核心部件，他們的版本被設計成比典型的實驗室設置要小得多，也更堅固。該團隊在最近發表在學術期刊《自然通訊》上的一篇論文中描述了他們的原型，展示瞭如何將幾個通常分離的組件整合到一個單一的單片結構中。在這樣做的過程中，他們將一個存在於大型光學桌上的系統的關鍵部件減少到一個大約鞋盒大小的結實的包裝。

足夠堅硬嗎？- 桑迪亞原子物理學家Jongmin Lee檢查了一個冷原子乾涉儀的傳感器頭，它可以幫助車輛在沒有GPS的情況下保持方向。資料來源：Bret Latter的照片

Jongmin說：”我們在實驗室裡已經證明了非常高的靈敏度，但實際問題是，對於現實世界的應用，人們需要縮小尺寸、重量和功率，然後在動態環境中克服各種問題。”

該論文還描述了利用正在開發的技術使系統進一步小型化的路線圖。該原型由桑迪亞的實驗室指導研究和開發計劃資助，表明在將先進的導航技術帶出實驗室並用於地面、地下、空中甚至太空的車輛方面取得了重大進展。

全球定位系統（GPS）是一個由軌道衛星組成的星座，為全世界的軍事和民用用戶提供位置、導航和計時數據。GPS衛星每12小時繞地球運行一次，不斷發射導航信號。通過適當的設備，用戶可以接收至少四個衛星信號來計算時間、位置和速度。這些信號非常精確，時間可以計算到百萬分之一秒之內，速度可以計算到每小時幾分之一英里之內，而位置可以計算到100英尺之內。

超靈敏的測量驅動導航能力

當噴氣機在天空中做桶狀翻滾時，目前的機載導航技術可以測量飛機的傾斜、轉彎和加速度，以便在沒有GPS的情況下計算出它的位置，Jongmin表示，在一段時間內。除非定期與衛星同步，否則微小的測量誤差會逐漸使飛行器偏離航線。量子慣性傳感器的區別和優勢在於，雖然以同樣的方式運作，但更高的精確度意味著機載導航不需要經常交叉檢查其計算結果，從而減少對衛星系統的依賴。

參與該項目的博士後研究員Roger Ding說：”原則上，不存在製造上的變化和校準，相比之下，傳統的傳感器會隨著時間的推移而變化，需要重新校準。”

該項目的首席工程師Aaron Ison說，為了讓原子乾涉儀做好動態環境的準備，他和他的團隊使用了在極端環境中被證實可持續的材料。此外，通常獨立的零件被整合在一起並固定在原地，或者用手動鎖定機制來建造。”一個具有盡可能少的螺栓接口的整體結構是創造一個更堅固的原子乾涉儀結構的關鍵。”

此外，該團隊使用稱為有限元分析的行業標準計算來預測該系統在常規環境下的任何變動都將落在所需的允許範圍內。但目前沒有對新設計進行機械應力測試或現場測試，因此需要進一步研究以測量該設備的強度。

整體的小而緊湊的設計自然會帶來一個更堅硬更堅固的結構，光子學照亮了通往更小型化系統的道路。

出於穩定性的考慮，大多數現代原子乾涉測量實驗都使用安裝在一個大型光學平台上的激光器系統。桑迪亞的裝置相對來說比較緊湊，但該團隊已經想出了進一步的設計改進，利用集成光子技術使量子傳感器變得更小。

該項目的主要研究人員、量子傳感專家Peter Schwindt說：”有幾十到幾百個元素可以放在一個比一分錢還小的芯片上。”

光子設備，如激光器或光纖，使用光來執行有用的工作，集成設備包括許多不同的元素。光子學被廣泛用於電信領域，正在進行的研究正在使它們變得更小，功能更多。隨著進一步的改進，彼得認為一個乾涉儀所需的空間可以小到幾升。他的夢想是製作一個汽水罐大小的干涉儀。

在他們的論文中，桑迪亞團隊概述了一個未來的設計，其中他們的大部分激光裝置被一個單一的光子集成電路所取代，每邊大約8毫米。將光學元件集成到一個電路中，不僅可以使原子乾涉儀更小，而且還可以通過將元件固定在原位而使其更加堅固耐用。

雖然該團隊還不能做到這一點，但他們所需要的許多光子技術目前正在桑迪亞開發。”這是一條通往高度微型化系統的可行之路，”Roger說。同時，Jongmin說，集成光子電路將可能降低成本，並提高未來製造的可擴展性。”桑迪亞對導航領域的量子傳感的未來展示了一個雄心勃勃的願景。”