新型量子传感器使用比头发还细的光纤，或可取代GPS

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美国桑迪亚国家实验室（SNL）的研究人员研发出一种量子传感器，其功耗仅为5毫瓦，大约比标准LED灯泡低2000倍，并且使用的光纤厚度仅为420纳米，比人类头发细200倍。该传感器及相关技术的开发为量子传感技术即将在实地环境中的部署铺平了道路。

全球高度依赖卫星信号进行导航。从网约车到商用飞机、海上集装箱船，乃至参与战斗的军用无人机，所有这些都依赖卫星信号来确定自身位置并导航至目的地。

由于这种高度依赖，通过干扰或欺骗卫星信号来瘫痪系统变得轻而易举，只需发出强烈的电磁噪声，就能淹没这些信号。

为了克服这一问题，科学家们一直致力于研发基于量子的导航系统，这种系统不仅无法被干扰，而且具有极高的精度。这类系统有多种不同的工作原理，其中之一便是自由空间原子干涉测量法。

在这种方法中，超冷原子被释放到真空室中，并利用激光测量其运动。然而，振动或其他干扰会使这些测量结果变得不可靠，促使科学家们寻找一种更具约束性的方法。

紧密光束

引导原子干涉测量法利用非光纤在紧密光束中引导原子，就像弹珠流过狭窄的管道一样。这确保了原子能够持续被激光观测到。桑迪亚国家实验室的量子传感科学家Jongmin Lee一直致力于制造这种设备的超小型版本，使其功耗极低并能在实地环境中使用。

Lee的宏伟计划是将该设备集成到光子集成电路中，以便在设备受到颠簸时仍能持续进行测量。在实际应用场景中，这可以在车辆行驶于崎岖地形或飞机遭遇气流颠簸时提供导航支持。

“几十年来，由于在真空中为光子器件散热以及在器件周围高效加载原子方面存在诸多挑战，这一理念尚未被业界完全实现，”Lee在新闻稿中解释道。

解决散热问题

系统需要利用激光产生光晕效应，以引导和计数移动的原子。然而，激光也是系统内的主要热源，尤其是在处理比人类头发细得多的纳米纤维等组件时。

在这种情况下，科学家们往往不得不做出妥协：要么采用脆弱的结构设计，虽然能很好地加载原子，但在高温条件下容易损坏；要么采用坚固的结构设计，虽然散热性能好，却无法有效加载原子。由Lee领导的桑迪亚国家实验室研究团队通过使用微型硅针解决了这一难题，这些硅针将波导固定在两侧并兼作散热器。

“在纳米纤维研究成果的基础上，我们证明了仅需5毫瓦的光功率即可捕获铯原子，并且能够利用亚微瓦级光纤耦合光束测量原子相干性，同时最大限度地降低了真空环境中的热负荷，”Lee在新闻稿中补充道。

在解决了系统设置中的一些技术细节问题后，该团队希望将光波导引导器及其他组件集成到芯片上，并构建一个惯性量子传感器阵列。

相关研究成果已发表在《AVS Quantum Science》期刊上。

资讯来源

- interestingengineering.com (2026-09-11) - 原文标题：新型量子传感器使用比头发还细的光纤，或可取代GPS - https://interestingengineering.com/science/tight-light-build-quantum-sensors-for-real-world