來自倫敦帝國理工學院與光子和量子技術專業(yè)公司M Squared的一支團隊已演示了英國第一個用于導航的量子加速度計。

今天的大多數(shù)導航依賴GPS之類的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)，這類系統(tǒng)可以發(fā)送和接收來自繞地球運行的衛(wèi)星的信號。量子加速度計是一個獨立的系統(tǒng)，不依賴任何外部信號。

這一點尤其重要，因為衛(wèi)星信號可能因高層建筑物等阻礙因素而無法使用，或者可能被堵塞、模仿或拒絕，因而無法進行準確導航。衛(wèi)星服務無法使用一天會讓英國損失10億英鎊。

現(xiàn)在，英國的一支科研團隊首次在國家量子技術展示會上演示了一種可移動的獨立量子加速度計，這次盛會展示了英國國家量子技術計劃所取得的技術進步，為此英國政府五年來已投入2.7億英鎊。

該設備由倫敦帝國理工學院和M Squared建造，由國防科學與技術實驗室的未來感知與態(tài)勢感知計劃、工程與物理科學研究委員會以及英國創(chuàng)新組織三方提供資金來源。它是英國第一個商業(yè)上可行的量子加速度計，有望用于導航。

加速度計測量物體的速度隨時間的推移發(fā)生怎樣的變化。再結合物體的起點，就能計算出新的位置。

使用超冷原子的精度

加速度計已存在了一段時間，目前應用于在手機和筆記本電腦之類的技術中。但是如果沒有外部參照，這些設備無法在較長時間內(nèi)保持準確度。

加速度計的特寫鏡頭

量子加速度計依賴測量超冷原子的特性而獲得的精度和準確度。在極低的溫度下，原子表現(xiàn)出“量子”的行為方式，工作起來既像物質(zhì)又像波。

來自帝國理工學院冷物質(zhì)中心的約瑟夫?科特(Joseph Cotter)博士說：“原子處于超冷狀態(tài)時，我們必須用量子力學來描述其運動方式，這讓我們得以制造出所謂的原子干涉儀。”

隨著原子不斷移動，它們的波特性受到車輛加速度的影響。使用“光學標尺”，加速度計就能夠非常準確地測量這些微小變化。然后借助幾個相對簡單的方程式，就可以計算出你的準確位置。

為了使原子足夠冷，并且在響應加速度時探測原子的特性，就需要能夠精確控制的非常強大的激光器。

讓英國處于即將到來的量子時代的前沿

M Squared的量子技術科學家約瑟夫?湯姆(Joseph Thom)博士說：“我們致力于使冷原子量子傳感器實現(xiàn)商業(yè)化，作為這項工作的一部分，我們開發(fā)了一種用于冷原子傳感器的通用激光器系統(tǒng)，我們已經(jīng)將該系統(tǒng)部署在我們研制的量子重力儀中。這種激光器現(xiàn)在還用于我們與帝國理工學院一同研制的量子加速度計。該激光器系統(tǒng)結合了高功率、超低噪聲和頻率可調(diào)性，可以對原子進行冷卻，并提供用于加速度測量的光學標尺。”

目前的系統(tǒng)是為大型車輛的導航而設計的，比如船舶、甚至列車。然而，該原理還可以用于基礎科學研究，比如尋找暗能量和引力波，帝國理工學院的團隊還在研究這個領域。

帝國理工學院冷物質(zhì)中心的埃德?海因茲(Ed Hinds)教授說：“我認為讓人極其興奮的是，這種量子技術正走出基礎科學實驗室，應用于更廣闊的實際問題，而這一切完全得益于只能從這種量子系統(tǒng)才能獲得的極好的靈敏度和可靠性。”

但這不是你會在智能手機中發(fā)現(xiàn)的技術：本周在倫敦展示的原型系統(tǒng)大概有3英尺寬，而且價格非常昂貴。

此外，它目前只能在一個平面上進行測量。研究人員表示，他們很快就能在三個平面上進行測量，使其成為完全獨立的超級羅盤，可以在任何時候告訴你它的準確位置。

不過它確實是物理學理論的第一個實際原型。據(jù)推測，研究團隊的計劃是逐漸減小尺寸、降低成本，最終讓它應用于像自動駕駛汽車這樣的系統(tǒng)。

M Squared的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官格雷姆?馬爾科姆(Graeme Malcolm)博士說：“這種商業(yè)上可行的量子設備即加速度計將讓英國處于即將到來的量子時代的前沿。實現(xiàn)量子導航潛力的這個合作項目表明了英國在結合工業(yè)界和學術界方面擁有獨特的優(yōu)勢――立足于科學前沿的進步，走出實驗室，打造旨在改善社會的實際應用。”

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