- 桑迪亞國家實驗室開發低功耗量子傳感器，功率僅需 5 毫瓦。
- 量子導航系統不易被幹擾，準確性高，解決了衞星信號的脆弱性。
- 研究團隊致力於將量子傳感器集成到光子電路中，提升實地應用的穩定性。
- 研究成果已發表於期刊《AVS Quantum Science》。
美國桑迪亞國家實驗室的研究人員開發出一種量子傳感器，僅需 5 毫瓦的功率，約為標準 LED 燈泡的 2,000 分之一，並使用厚度僅為 420 奈米的光纖，這個厚度是人類頭髮的 200 倍。該傳感器及其相關技術的發展，為量子傳感技術的實地應用鋪平了道路。當今世界在導航上高度依賴衞星信號，從基於應用程式的的士、商業航空器、海上的貨櫃船，甚至參與戰鬥的軍事無人機，都依賴衞星信號來確定其位置並導航至目的地。
在如此高的依賴性下，通過幹擾或假冒衞星信號輕易可使系統癱瘓，這可通過電磁噪聲來實現，從而淹沒這些信號。
量子導航系統的優勢
為瞭解決這個問題，科學家一直在研究基於量子的導航系統，這些系統不僅不易被幹擾，還具有極高的準確性。這類系統的運作方式有多種不同的方法，其中之一是自由空間原子干涉法。在這種方法中，超冷原子會在真空室中釋放，並使用鐳射測量它們的運動。然而，震動或其他擾動可能會使這些測量變得不可靠，促使科學家尋求更為穩定的方法。緊束光的引導原子干涉法使用非光纖設備引導原子，類似於彈珠在狹窄管道中流動，確保它們始終被鐳射觀察。
桑迪亞國家實驗室的量子傳感科學家李鍾敏（Jongmin Lee）一直在致力於建立一種極小型的設備，該設備消耗極少的功率並可用於實地應用。李的雄心壯志是將此設備放置於光子集成電路上，以便即使設備受到撞擊，測量也能繼續進行。在現實情境中，這可支持在車輛穿越崎嶇地形或飛機經歷湍流時的導航。李在一份新聞稿中解釋道：「這一想法數十年來未能被社會充分實現，原因在於在真空中散熱的挑戰以及有效加載原子的困難。」
解決熱負載問題的創新
鐳射需要創建一種光環效果，以引導和計數移動的原子。然而，這些也是系統中主要的熱源，尤其是在處理比人類頭髮細得多的納米纖維等元件時。在這種情況下，科學家始終需要進行取捨。要麼使用脆弱的設計，能夠良好地加載原子，但在高熱條件下易於破損；要麼使用堅固的設計，能夠良好地處理熱量，但無法有效加載原子。李所領導的桑迪亞國家實驗室的研究人員通過使用小型矽針，將波導固定在兩側並作為散熱器，解決了這一問題。
李在新聞稿中補充道：「基於我們的納米纖維研究結果，我們證明瞭銫原子可以僅用五毫瓦的光學功率被捕獲，並且可以使用亞微瓦的光纖耦合光束測量原子相干性，同時最小化真空內的熱負載。」
在解決設置中的一些問題後，團隊希望將引導器及其他元件集成到一個晶片上，並構建一個慣性量子傳感器陣列。這些研究結果已發表在期刊《AVS Quantum Science》中。
量子傳感器對導航技術的影響
隨著導航技術對衞星信號的依賴性增加，量子傳感器的開發顯得尤為重要。這類傳感器不僅能夠抵抗外部幹擾，還能在各種極端環境下保持高準確性，這對於軍事、商業及民用導航系統都是一大進步。桑迪亞國家實驗室的研究不僅展示了量子技術在實地應用中的潛力，還解決了長期困擾科學家的熱負載問題，為未來的量子導航系統鋪平了道路。