- 桑迪亚国家实验室开发低功耗量子传感器，功率仅需5毫瓦。
- 量子导航系统不易被干扰，准确性高，解决了卫星信号的脆弱性。
- 研究团队致力于将量子传感器集成到光子电路中，提升实地应用的稳定性。
- 研究成果已发表在期刊《AVS Quantum Science》。
美国桑迪亚国家实验室的研究人员开发出一种量子传感器，仅需5毫瓦的功率，约为标准LED灯泡的2000分之一，并使用厚度仅为420纳米的光纤，这个厚度是人类头发的200倍。该传感器及其相关技术的发展，为量子传感技术的实地应用铺平了道路。当今世界在导航上高度依赖卫星信号，从基于应用程序的出租车、商业航空器、海上的集装箱船，甚至参与战斗的军事无人机，都依赖卫星信号来确定其位置并导航至目的地。
在如此高的依赖性下，通过干扰或假冒卫星信号轻易可使系统瘫痪，这可以通过电磁噪声来实现，从而淹没这些信号。
量子导航系统的优势
为了解决这个问题，科学家们一直在研究基于量子的导航系统，这些系统不仅不易被干扰，还具有极高的准确性。这类系统的运作方式有多种不同的方法，其中之一是自由空间原子干涉法。在这种方法的实现中，超冷原子会在真空室中释放，并使用激光测量它们的运动。然而，震动或其他扰动可能会使这些测量变得不可靠，促使科学家寻求更为稳定的方法。紧束光的引导原子干涉法使用非光纤设备引导原子，类似于弹珠在狭窄管道中流动，确保它们始终被激光观察。
桑迪亚国家实验室的量子传感科学家李钟敏（Jongmin Lee）一直在致力于建立一种极小型的设备，该设备消耗极少的功率并可用于实地应用。李的雄心壮志是将此设备放置于光子集成电路上，以便即使设备受到撞击，测量也能继续进行。在现实情境中，这可支持在车辆穿越崎岖地形或飞机经历湍流时的导航。李在一份新闻稿中解释道：“这一想法数十年来未能被社会充分实现，原因在于在真空中散热的挑战以及有效加载原子的困难。”
解决热负载问题的创新
激光需要创建一种光环效果，以引导和计数移动的原子。然而，这些也是系统中的主要热源，尤其是在处理比人类头发细得多的纳米纤维等元件时。在这种情况下，科学家始终需要进行取舍。要么使用脆弱的设计，能够良好地加载原子，但在高热条件下易于破损；要么使用坚固的设计，能够良好地处理热量，但无法有效加载原子。李所领导的桑迪亚国家实验室的研究人员通过使用小型硅针，将波导固定在两侧并作为散热器，解决了这一问题。
李在新闻稿中补充道：“基于我们的纳米纤维研究结果，我们证明了铯原子可以仅用五毫瓦的光学功率被捕获，并且可以使用亚微瓦的光纤耦合光束测量原子相干性，同时最小化真空内的热负载。”
在解决设置中的一些问题后，团队希望将引导器及其他元件集成到一个芯片上，并构建一个惯性量子传感器阵列。这些研究成果已发表在期刊《AVS Quantum Science》中。
量子传感器对导航技术的影响
随着导航技术对卫星信号的依赖性增加，量子传感器的开发显得尤为重要。这类传感器不仅能够抵抗外部干扰，还能在各种极端环境下保持高准确性，这对于军事、商业及民用导航系统都是一大进步。桑迪亚国家实验室的研究不仅展示了量子技术在实地应用中的潜力，还解决了长期困扰科学家的热负载问题，为未来的量子导航系统铺平了道路。