美國量子導航重大突破！量子傳感器從房間大縮小成微芯片

GPS、北斗等衛星導航，已經徹底改變了人類社會，爲我們帶來了更便捷，更快速、更精確的世界。但你想過沒有，假如有一天GPS突然失靈怎麼辦？這並不是杞人憂天，戰爭、自然災害，甚至太陽風暴，都可能導致GPS信號中斷，比如現在俄烏戰場周邊，人們就飽受GPS被幹擾之苦。

不過你也不必過分擔心，因爲美國桑迪亞國家實驗室，正在開發一種全新的導航技術，無需衛星就能實現精準定位，目前已經實現重大突破，將房間大小的傳感器，縮小到了微芯片上，量子導航可能正逐漸走向現實世界。

目前我們所用的傳感器，不管是陀螺儀還是加速度計等，都是測量宏觀物質的運動狀態，依賴設備內部的機械或電子元件，來感知物體的運動和位置，跟蹤的是設備整體的物理運動。

而量子傳感器是基於量子力學原理，測量微觀量子系統（如原子、光子）的狀態，通過測量和控制這些量子的行爲，來獲得極其精確的信息，因而能夠實現比經典傳感器更高的精度。目前通過原子干涉測量，已經可以實現比現有導航設備，高出1000倍的精度。

然而這種原子干涉儀，一個就有一個小房間那麼大，要實現這種超高精度的量子傳感，也就是一個“量子羅盤”，需要6個原子干涉儀，所以你想用它來導航的話，就得在汽車後面拖一個半掛車箱纔行。

經過多年的研究，桑迪亞國家實驗室的研究人員，已經成功地將原子干涉儀的關鍵組件微型化，製造出了一個可以放在，芯片上的微型激光系統，相當於把一臺冰箱大小的設備，縮小到了指甲蓋那麼小。

這個微型激光系統的核心，是一種新型的硅光子調製器，可以在微小的芯片上控制光線，並減少不必要的信號干擾。而且這種調製器可以利用，和現有芯片相同的工藝來製造，一個8英寸晶圓就可以製造幾百個。這不僅大大減小了設備體積，還顯著降低了成本——此前僅一個激光系統，就超過了10000美元。

桑迪亞國家實驗室的最終目標，是製造出小巧、便攜、高精度的量子導航設備。隨着這項技術越來越走向現實應用，研究人員已開始拓展它的其他應用，例如地下資源探測、光學通信，和量子計算等領域。

當然，它最重要的應用，可能還是在軍事領域，用於導彈、飛行器、潛艇等武器裝備，全天候、全地形、水下地下的高精度導航，並且現有任何手段都無法干擾，這無疑是極爲恐怖的——例如斬首行動，或許可以精準到人頭。

這項研究發表在7月10日《科學進展》雜誌上。

參考：

High-performance silicon photonic single-sideband modulators for cold-atom interferometry,SCIENCE ADVANCES, 10 Jul 2024, Vol 10, Issue 28, DOI: 10.1126/sciadv.ade4454