研究人员利用硅光子微芯片组件执行了一种称为原子干涉仪的量子传感方法，这种方法允许对加速度进行极其精确的测量。这一成就标志着在缺乏GPS信号的情况下，为导航目的创建一种量子罗盘的重要一步。
如果你检查智能手机、健身追踪器或虚拟现实设备，你会发现一个小的运动传感器，负责跟踪其位置和运动。更大、更昂贵的版本——大约有一颗葡萄柚那么大，并且精度明显更高——辅助导航船、飞机和其他有GPS支持的交通工具。
目前，科学家们正在努力增强运动传感器的精度，以减少国家对全球定位卫星的依赖。直到最近，这样的设备——敏感度比现有导航级传感器高出一千倍——需要一个移动卡车来携带。然而，最近的进展正在显著减小这项技术的尺寸和成本。
首次，一支来自桑迪亚国家实验室的团队成功利用硅光子微芯片组件实现原子干涉仪，这是一种高精度的加速度测量技术。这标志着在GPS信号缺失时开发量子罗盘的新里程碑。
该研究作为期刊Science Advances的重要特征发表，突出了新开发的高性能硅光子调制器——一种在微芯片上控制光的设备。
这项研究得到了桑迪亚实验室指导研究与开发项目的支持，并部分在国家安全光子学中心进行，该中心专注于开发解决国家安全领域复杂挑战的集成光子解决方案。
没有GPS的导航对国家安全至关重要
“在现实世界中，当GPS信号不可用时，精确导航可能会存在问题，”桑迪亚科学家李钟敏解释道。
在战区，这一挑战对国家安全构成威胁，因为电子战部队可以干扰或欺骗卫星信号，从而破坏军事行动和移动。
量子传感提供了一种潜在的解决方案。
“利用量子力学的原理，这些尖端传感器在测量加速度和角速度方面实现了无与伦比的精度，即使在没有GPS的地区也能实现精确导航，”李指出。
调制器是微芯片激光系统的核心
通常，原子干涉仪需要占用一个小房间的空间。一套完整的工作量子罗盘——更准确地说被称为量子惯性测量单元——需要六个原子干涉仪。
然而，李和他的团队正在努力寻找减小其尺寸、重量和能耗的方法。他们已经用一个相当于鳄梨大小的真空室替代了一个大型、耗能的真空泵，将通常会分散在光学台上的多个组件凝聚成一个统一的设备。
新的调制器是微芯片激光系统的核心，旨在承受显著的震动。它替代了通常占用冰箱空间的传统激光系统。
激光在原子干涉仪中有多种功能，而桑迪亚团队使用四个调制器来调整一束激光的频率以进行不同操作。
然而，这些调制器可能会产生称为边带的未期望回声，需要控制。
桑迪亚的抑制载波单边带调制器将这些边带的噪声降低了前所未有的47.8分贝——这不仅用于量化声音强度，也适用于光强度——结果实现了近100,000倍的减少。
“与现有选项相比，我们显著提升了性能，”桑迪亚科学家阿肖克·科迪嘉拉表示。
硅设备易于生产且成本效益高
除了尺寸外，费用一直是部署量子导航设备的重要障碍。每个原子干涉仪需要一个激光系统，而激光系统又需要调制器。
“市场上单个完整尺寸的单边带调制器的成本超过10,000美元，”李表示。
通过将大型、昂贵的组件小型化为硅光子芯片，可以降低这些费用。
“我们可以在8英寸的晶圆上制造出数百个调制器，甚至可以在12英寸的晶圆上制造更多，”科迪嘉拉解释道。
此外，由于制造过程与几乎所有计算机芯片类似，“这个先进的四通道组件，连同其他定制功能，可以以显著低于当前商业产品的成本进行大规模生产，从而实现量子惯性测量单元的经济高效制造，”李坚称。
随着这项技术接近实际应用，团队正在探索除了导航之外的额外用途。研究人员正在研究它是否可以通过检测地球引力场的微小变化来帮助定位地下腔体和资源。他们还设想了他们开发的光学组件——包括调制器——在LIDAR、量子计算和光学通信中的潜在应用。
“这是真正令人兴奋的，”科迪嘉拉表示。“我们在各个应用领域的微型化方面取得了重大进展。”
一个合作团队使量子罗盘成为现实
李和科迪嘉拉代表了一个多学科团队的两个领域。一个领域，包括李，聚集了量子力学和原子物理的专家。另一个领域，如科迪嘉拉，专注于硅光子学——本质上是用光束取代电流的微芯片。
这些团队在桑迪亚的微系统工程、科学与应用综合体合作，研究人员设计、生产和评估针对国家安全项目定制的芯片。
“我们有同事就在走廊上，可以与之讨论，共同努力解决这项技术在实际应用中的重要挑战，”桑迪亚的一位量子传感科学家彼得·施温特表示。
这个团队的雄心目标——将原子干涉仪转变为紧凑的量子罗盘——旨在弥合学术机构的基础研究与技术公司的商业开发之间的差距。原子干涉仪是一种经过验证的技术，可以作为无需依赖GPS的有效导航工具。桑迪亚不断努力旨在提高其稳定性、适应现场的能力以及商业可行性。
国家安全光子学中心与行业参与者、小型企业、学术机构和政府实体合作，开发创新技术，并帮助将新产品推向市场。桑迪亚拥有数百项专利，还有许多其他正在申请中，以支持其使命。
“我对看到这些技术在实际应用中发挥作用充满热情，”施温特分享道。
桑迪亚的硅光子学专家迈克尔·盖尔同样充满热情。“看到我们的光子芯片在实际应用中被使用是非常令人满意的，”他指出。
桑迪亚国家实验室是由桑迪亚有限责任公司的国家技术与工程解决方案管理的多任务实验室，桑迪亚有限责任公司是霍尼韦尔国际公司的全资子公司，服务于美国能源部的国家核安全局。桑迪亚承担着核威慑、全球安全、国防、能源创新和经济竞争力等主要研究和开发任务，主要位于新墨西哥州的阿尔伯克基和加利福尼亚州的利弗莫尔。
