2026年9月10日——在紧附于一根极细光纤的微小光晕中，科学家 Jongmin Lee 像引导弹珠穿过狭窄管道一样引导原子。晃动光纤，原子会并排移动；但它们不会掉落。不过，不要被他的实验看似脆弱的性质所迷惑。Lee 正在探索如何在颠簸严酷的环境中精确测量运动。

作为桑迪亚国家实验室的量子传感科学家，Lee 是一种名为原子干涉仪的运动传感器方面的专家。在实验室中，这种设备利用量子力学来获得极其精确的测量结果。Lee 和他的团队正致力于打造一种极小型、低功耗、可供现场使用的版本——小到足以集成在一种称为光子集成电路的专用微芯片上。

他们的最新成果发表在期刊 《AVS Quantum Science》上。团队在论文中报告称，仅用 5 毫瓦光功率，就在直径仅 420 纳米的光纤上捕获了铯原子——所用功率约为 LED 灯泡的 1/2000。研究人员仅用 150 纳瓦功率，也能进行模拟原子干涉测量的测量。

他们还报告了一种耐热膜波导的新设计，这是下一代原型。纳米光纤为团队的原子引导实验提供了便利、可靠的测试平台，但目前尚不适合实际应用。

“我们的最终目标是在芯片上利用光子集成电路演示这一点，但我们的纳米光纤成果显示出通往芯片级量子惯性传感的明确潜在路径，”Lee 表示。

这种新的捕获方法所用功率约为以往方法的六分之一到四分之一，标志着在研制坚固耐用的芯片级原子干涉仪方面取得重大进展。这类干涉仪可在 GPS 信号受到干扰时帮助军用车辆导航。

该项目主要由桑迪亚的 Laboratory Directed Research and Development 项目资助。

桑迪亚技术或可让飞行员摆脱干扰困境

如果想干扰卫星导航信号，只需发出电磁“尖叫”。当噪声淹没定位卫星信号、令飞机难以应对时，飞机将不得不依赖机载加速度和姿态传感器。这能维持一段时间，但最终飞机将偏离预定飞行路径。

量子传感提供了潜在解决方案。其测量利用量子力学，可比传统仪器精确得多。例如，原子钟是一种众所周知的量子传感器，在计时开始漂移之前，其保持准确时间的能力远超石英腕表。

同样，当 GPS 受到干扰或不可用时，测量惯性的量子传感器能让车辆保持正确路线的时间远长于现有仪器。

紧密束缚光并非推动下一代导航的唯一思路，但它确实带来一个明显优势。做个对比，不要去想管道里的弹珠，而想想自由下落的弹珠。这就是另一种称为自由空间原子干涉仪的技术背后的思路。它释放超冷原子，并利用激光脉冲测量它们以稳定流形式穿过真空室下落时的运动。然而，强烈震动或振动会使激光瞬间失去对原子的观测，从而破坏测量。相比之下，像狭窄管道一样的导引式原子干涉测量将原子束缚住，因此激光始终能看到它们。

Lee 的导引式构想实现在光子集成电路上，更新且尚不成熟。但这种物理导引结构具有明显优势，因为即使设备受到碰撞，它也能牢牢束缚原子。这可能有助于在强湍流中或崎岖道路上导航。

然而，Lee 表示：“几十年来，由于在真空中为光子器件散热以及在其周围高效装载原子方面存在挑战，这一构想尚未被研究界充分实现。”

新组件设计在棘手取舍间取得平衡

问题在于激光。你需要激光来产生捕获和引导原子的光晕效应。但激光也会产生热量。而当处理超薄组件——比人类头发细 200 倍——热量会迅速积聚。它可能使原子导引结构开裂，就像烧断白炽灯泡的灯丝一样。

直到最近，科学家们不得不在两种设计之间做出选择：一种是脆弱的设计，通过悬置波导来高效装载原子，但在高温下会碎裂；另一种是更坚固的设计，将波导安装在固体衬底上。后者散热良好，但装载原子效果差。

“散热和高效装载原子都非常重要，”Lee 表示。

桑迪亚团队找到了一种解决方案：一个能在这两种方法之间取得平衡的平台。

“这种新型膜波导之所以在真空中更不易受热影响，是因为它的两端由小硅柱固定，”Lee 解释说。在显微镜下，与纳米级薄的膜波导相比，这些小柱看起来非常巨大。更重要的是，它们充当散热器，将热量从激光器处带走。

未来计划

由于热量不再是一个致命问题，桑迪亚团队现在开始将多年的研究整合到一个工作流程中。

“利用激光冷却和捕获，我们的团队产生了一团非常冷、 移动缓慢的原子，它们会漂入并聚集在膜上的孔洞中或两根硅针之间的间隙里，”Lee 表示。

膜波导横跨那个孔洞或间隙，发挥与光学纳米光纤相同的作用：它产生光晕来引导原子。

“在纳米光纤成果的基础上，我们展示了仅用 5 毫瓦光功率就能捕获铯原子，并且可以使用亚微瓦级光纤耦合光束测量原子相干性，同时最大限度地减少真空中的热负载，”Lee 表示。“这种能力在桑迪亚开发的膜波导光子集成电路平台上可行。”

Lee 仍在解决膜中的一些问题，这就是为什么他在纳米光纤测试平台上而非新平台上测试测量方案。然而，未来的研究将在新原子导引结构上收集原子捕获和功率数据，在测量过程中向原子施加动量踢，并将该导引结构与芯片上的其他组件集成，从而更接近芯片级量子惯性传感器阵列。

“我们的构想尚未得到充分验证，但我们已经非常接近了，”Lee 表示。

就目前而言，这些原子已被牢牢束缚，准备好迎接量子传感的下一段旅程，无论前方道路上有多少颠簸。