Science Advances | 量子傳感：邁向無GPS精確導航的里程碑

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引言
導航技術(shù)已經(jīng)成為日常生活中不可或缺的一部分。從智能手機到船舶和飛機，運動傳感器和全球定位系統(tǒng)（GPS）提供了精確的位置信息。然而，在某些情況下，需要更高精度的導航系統(tǒng)，特別是在GPS信號不可用的情況下。這就是量子傳感技術(shù)發(fā)揮作用的地方 [1]。
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1 g4 V5 x- x, S8 q. _8 A7 a量子傳感的突破
科學家們正在努力開發(fā)精度極高的運動傳感器，其靈敏度比當今的導航級設備高1000倍。這種傳感器有望最大限度地減少我們對全球定位衛(wèi)星的依賴。
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桑迪亞國家實驗室的研究人員最近取得了重大突破。他們首次使用硅基光電子微芯片組件執(zhí)行了一種稱為原子干涉儀的量子傳感技術(shù)。這是朝著開發(fā)一種用于無GPS導航的"量子指南針"邁出的重要一步。
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圖1.概念圖展示了用于冷原子干涉儀實驗的全集成多通道硅基光電子單邊帶（SSB）調(diào)制器芯片，由單個集成激光源供電。
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7 h3 v6 Z! [# y1 `6 M* h技術(shù)細節(jié)
原子干涉儀
原子干涉儀是一種超精密的加速度測量方法。傳統(tǒng)上，這種傳感器系統(tǒng)會占據(jù)一個小房間的空間。一個完整的量子指南針（更準確地稱為量子慣性測量單元）需要六個原子干涉儀。

圖2. 基于1560至780納米頻率倍增方法的光電子集成芯片（PIC）激光架構(gòu)，用于原子干涉儀。該PIC激光系統(tǒng)包含三個主要功能模塊：光調(diào)制（硅基光電子）、光放大（III-V族半導體）和光頻率倍增（鋰鈮酸鹽）。這些模塊通過混合/異質(zhì)集成和光電共封裝集成到單一PIC平臺上。其中，SSBM是硅基光電子單邊帶調(diào)制器，ΦMOD是額外的片上相位調(diào)制器，SOA是半導體光放大器，SHG是二次諧波發(fā)生器。硅基光電子中的每個通道都包含一個可變光衰減器，用于控制光強度。

8 J. p8 x9 M. |& N& J微型化進展
; o# j& F" n' k$ X/ K研究團隊已經(jīng)在減小系統(tǒng)的尺寸、重量和功耗方面取得了顯著進展：

將大型真空泵替換為鱷梨大小的真空室

將通常分布在光學臺上的多個組件整合到單個剛性裝置中

開發(fā)了一個芯片上的激光系統(tǒng)，其核心是新型調(diào)制器
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1 V- R& O6 i) p" i, q8 b圖3. 桑迪亞實驗室開發(fā)的用于SC-SSB調(diào)制的硅基光電子調(diào)制器。

* \( C3 E# ~' R) l% FA. 雙并行馬赫-曾德爾調(diào)制器（DP-MZM）的操作示意圖，包含三個區(qū)域（R1、R2和R3）。R2和R3并行，各自包含一個MZM。R1有一個熱光（TO）相移器，R2和R3各有一個TO相移器和兩個具有適當射頻相位偏移的電光（EO）相位調(diào)制器。獨立控制R2和R3實現(xiàn)高性能SC-SSB生成。

5 T2 N5 U, u+ n6 T+ ^B. 一個光電封裝的單通道硅基光電子SSB調(diào)制器照片，顯示用于光線的V形槽陣列和連接到印刷電路板的直流和射頻鍵合線。
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C. 制造的硅基光電子DP-MZM調(diào)制器的俯視圖，顯示到中間層芯片的直流鍵合線，每個嵌套MZM采用推挽配置構(gòu)成DP-MZM。

2 Y% t+ o8 A# D4 u# I- R( Z突破性的調(diào)制器
, ], @% {7 k/ a: A2 B. D新開發(fā)的調(diào)制器是重大突破：

能夠?qū)⒉恍枰�的回波（邊帶）減少47.8分貝，相當于強度下降了近100,000倍。

研究團隊使用四個調(diào)制器來改變單個激光的頻率，以執(zhí)行不同的功能。

這種復雜的四通道組件可以大規(guī)模生產(chǎn)，成本遠低于當前的商業(yè)替代品。
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圖4. 特征分析SC-SSB調(diào)制器芯片的實驗設置。使用自外差測量裝置來表征SSB調(diào)制，該裝置包括連續(xù)波電信波長輸入激光器（Keysight 81606A）、偏振控制器、頻率為110 MHz的聲光調(diào)制器（AOM）、光纖耦合器/分束器和光電二極管。從兩個獨立光路（一個來自硅基光電子調(diào)制器輸出，另一個來自頻移AOM輸出）合并的光拍頻信號由光電二極管檢測，并由射頻頻譜分析儀分析。DP-MZM有四個輸出端口（A、B、C和D）。在完全運行時，兩個內(nèi)部輸出端口（B和C）輸出邊帶信號，而兩個外部輸出端口輸出不需要的光載波。

對于射頻輸入，我們使用單個多通道射頻源（Holzworth 9004B）的兩個獨立射頻通道（RF Ch1和RF Ch2）分別驅(qū)動R2和R3區(qū)域（灰色高亮）。每個嵌套MZM（R2或R3）設計為推挽配置運行。所有直流和射頻控制線路都以黑色箭頭顯示，包括TO相移器和EO調(diào)制器。
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應用前景
9 l2 T: L5 @4 f! d$ i. z+ T5 J雖然無GPS導航是主要目標，但研究團隊也在探索這項技術(shù)的其他潛在應用：

地下探測：可能用于定位地下空腔和資源，通過檢測它們對地球引力造成的微小變化。

激光雷達（LIDAR）：改進的光學組件可能應用于自動駕駛、3D地圖繪制等領域。

量子計算：開發(fā)的光學組件可能在量子計算領域找到應用。

光通信：新型調(diào)制器可能提高光通信系統(tǒng)的效率。
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% n, h. ^* R3 L  k未來展望
將這項技術(shù)從實驗室?guī)У綄嶋H應用還面臨一些挑戰(zhàn)：

進一步微型化：盡管已經(jīng)大大縮小，但仍需繼續(xù)減小尺寸以適應更多應用場景。

環(huán)境適應性：需要提高系統(tǒng)在各種實際環(huán)境中的穩(wěn)定性。

與現(xiàn)有系統(tǒng)集成：需要開發(fā)與當前導航和通信基礎設施兼容的解決方案。
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研究團隊正在努力解決這些挑戰(zhàn)，以實現(xiàn)這項技術(shù)的實際應用。他們的工作代表了基礎研究和商業(yè)開發(fā)之間的重要橋梁。

結(jié)論
0 l  D0 m# n+ \/ L' s, d1 x9 i量子傳感技術(shù)在導航領域的應用代表了重要的科技突破。不僅有望提供比GPS更精確的定位，還可能在地下探測、量子計算等多個領域產(chǎn)生深遠影響。隨著研究的深入和技術(shù)的成熟，可以期待在不久的將來看到這項技術(shù)在各種實際應用中的表現(xiàn)。
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參考文獻
3 S+ z( b) O2 b[1] Kodigala et al., "High-performance silicon photonic single-sideband modulators for cold-atom interferometry," Science Advances, vol. 10, no. 32, Aug. 2024, doi: 10.1126/sciadv.ade4454.
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