原子干涉仪是一种量子传感器，它利用原子的波粒二象性来以极高的精度测量重力、加速度和旋转。目前的原子干涉仪大多是大型仪器，占用建筑物，并需要高达数十米的塔架。
近日，密歇根大学的物理学家们已经开发出一种量子旋转传感器的设计，其核心尺寸肉眼几乎难以察觉。
据主要作者、密歇根大学博士生 Bineet Dash 称，这种概念验证设计可能有助于将基于原子干涉仪的量子传感器从实验室推向世界。
Dash说，科学家们可以使用原子干涉仪进行各种任务，从不断寻找引力波引起的宇宙结构中的微小涟漪，到了解南极洲冰盖融化引起的地球重力的微小局部变化。但由于其的尺寸庞大，原子干涉仪通常局限于实验室环境。目前，最灵敏的原子干涉仪使用建筑物内的高塔将原子束射出数十米，以收集信息。
由 Dash 和密歇根大学的物理学家 Georg Raithel 的实验室开发的新设计使用了一种特殊的激光束，可以在风车形的几何结构中捕获原子，这种结构可以从30微米的半径（小于人类头发的直径）扩展到大约10倍大，约300微米。研究人员的设计发表在《AVS Quantum Science》期刊上。
“这种干涉仪并不是对其他地方开发的现有设计的增量改进，”Dash 说。“这是基于我们小组在
2021 年提出的一种完全不同的方法。”
目前，研究人员经常使用基于激光波干涉的干涉仪。Dash 说，在天体物理学中，这种光学干涉仪被用来探测引力波。在惯性导航中，光学干涉仪用于测量飞机、轮船和卫星的旋转。
“人们常说已经有利用光工作的传感器了。为什么我们还需要开发一种使用量子力学的传感器？“Dash 说。“其中一个主要的动机是，在相同的条件下，原子干涉仪的灵敏度可能比光学干涉仪高好几个数量级。”
基于光干涉的旋转传感器使用所谓的萨格纳克效应（Sagnac effect）。法国物理学家乔治·萨格纳克（Georges Sagnac）发现光可以用来测量旋转：如果你将光发送到一个旋转的物体周围，然后再发送另一束与旋转方向相反的光束，两束光波就会重叠。但是这些光波会相互“干涉”，并开始显示出它们行进路径的差异。这种差异可以用来测量旋转速度。
原子干涉旋转传感器基于相同的概念。根据量子力学，原子是粒子，但它们也具有波的特性。根据 Dash 的说法，因为它们的波长比光的波长小得多，这使得它们能够比光干涉仪进行更准确、更敏感的旋转测量。
但是Dash说，除了体积庞大之外，大多数现有原子干涉仪的工作原理也给它们在实验室外的使用带来了问题。将原子通过激光脉冲以不同的路径被射入实验室塔内的真空中，一个原子的路径比另一个原子的路径更高，然后它们最终都到达塔的底部，它们到达底部的时间差提供了背景加速度的信息。
当原子被释放到自由空间时，它们可能会分散，一旦分散，信息就会丢失。在某个时刻，原子会分散到足以丢失所有信息。尽管原子流是一起发射的，但许多原子并没有重新汇合，这会导致更多的信息丢失。
2021 年，身为学生的Dash在Raithel实验室采用“光晶格”的概念来尝试缩小原子干涉仪的尺寸。当两束方向相反的激光束在同一条路径上交叉时，就会产生光格，进而产生光网格。Dash说，在适当的条件下，原子可以被限制在光格的最小单位中，就像鸡蛋放在鸡蛋盒里一样。光晶格能够使原子移动受限，并允许实验人员将原子引导到预定的路径上，这些路径能够确保它们一定会重新汇合。
2021年的研究表明，激光参数的细微调整，能够使处于不同量子态的原子被分别困在单独的不同晶格中。这样研究人员使用激光脉冲同时作用于两个被困在不同晶格中的原子上就可以制造出量子叠加态。沿相反方向移动这两个晶格会在两束原子流之间产生滞后，然后可以使用它来读取背景加速度。
但是2021年的设计只让原子沿直线来回运动，这不适合用于旋转感应。
在目前的研究中，Raithel 的实验室设计了一种使用特殊激光束的方法，该激光束以角度模式而不是线性驻波模式发送原子。
“它看起来像一个风车，通过稍微改变激光频率，可以改变风车的速度，”Dash 说。“在预定的旋转时间之后，风车之间的旋转速度会出现滞后，我们可以利用这个滞后来计算背景旋转加速度。”
Dash说，虽然该论文描述的使一个概念验证的设计，但Raithel实验室目前正在进行一项原型实验，该实验使用了玻色-爱因斯坦凝聚态低温原子源。
“目前的原子干涉仪非常适合基础物理学研究，但它们笨重、功耗高、占用空间大，而且由于它们的几何尺寸，导致它们在实际应用中并不实用，”Dash 说。“我们的研究是基于原型开发的，但这是一种非常通用的技术，可以适用于惯性导航和重力测绘等多种用途，以及基础物理学的研究中。
