美国天体物理联合实验室（JILA）是科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院（NIST）共同创建的的联合研究机构。在近日一项新的研究中，JILA和科罗拉多大学博尔德分校的物理学家使用一团冷却到极低温度的原子云来同时测量三个维度上的加速度——许多科学家认为这一操作是不可能实现的。
该设备是一种新型的原子“干涉仪”，有朝一日可以帮助人们更精确地导航潜艇、宇宙飞船、汽车以及其他交通工具。
“传统的原子干涉仪只能测量单个维度的加速度，但我们生活在一个三维世界中，”科罗拉多大学博尔德分校物理系研究生、该研究的共同作者Kendall Mehling说。“要知道我将去往何处，以及我曾去过哪里，就需要在所有三个维度上同时跟踪我的加速度。”
研究人员本月在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表了题为“光晶格中的矢量原子加速度测量”的论文。该团队包括Mehling；物理学博士后研究员Catie LeDesma；以及物理学教授兼JILA研究员Murray Holland。
2023年，美国国家航空航天局（NASA）通过该机构的量子路径研究所向科罗拉多大学博尔德分校的研究人员提供了550万美元的拨款，以继续开发这种传感器技术。
这种新型设备是工程学的一大奇迹：Holland和他的同事们利用六束像头发丝一样细的激光，将数万个铷原子组成的云固定在原位。然后，在人工智能的帮助下，他们以极其复杂的方式操纵这些激光，这使得研究团队能够测量原子在受到微小加速度（例如汽车踩油门时）时的变化。
如今，大多数车辆通过全球定位系统（GPS）和被称之为加速度计的传统或“经典”电子设备来跟踪加速度。该团队研发的新型量子设备要想与这些现有的测量工具竞争显然还有很长的路要走。但研究人员看到了这种基于原子的导航技术的巨大前景。
“如果你将一个经典传感器在不同的环境中放置多年，它会发生故障和老化，”Mehling表示。“再比如你钟表里的发条会随着使用时间变长而发生扭曲和变形。但是这一切在原子身上都不会发生。”
干涉仪在历史上以各种形式存在了几个世纪，它们被用于从通过光纤传输信息到寻找引力波（即宇宙结构中的涟漪）等各种用途。
其基本原理是将事物分开后再重新组合在一起，这与拉开拉链然后再拉上拉链的过程类似。
例如，在激光干涉测量法中，科学家首先照射一束激光，然后将其分成两个相同的光束，分别沿着两条不同的路径传播。最终，他们将光束再重新合并在一起。如果激光在其传播过程中受到了不同的影响，例如受到不同的引力作用，那么它们在重新组合时可能无法完美地匹配。换句话说，拉链可能会卡住。研究人员可以根据这两束原本相同的光束现在如何相互干涉的情况来进行测量，这也是其名称的由来。
在最新的研究中，该团队实现了同样的壮举，但使用的不是光而是原子。
它的工作原理是这样的：该设备目前的大小与气垫冰球桌相当，可以放在一个台面上。首先，研究人员将一组铷原子冷却到仅比绝对零度高几亿分之一度的温度。
在如此寒冷的环境中，原子形成了一种神秘的量子态物质，称为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）。2001年，时任科罗拉多大学博尔德分校的物理学家Carl Wieman和JILA的Eric Cornell因首次创造出BEC而获得诺贝尔奖。
接下来，该团队利用激光来使原子振动，从而将它们分开。在这种情况下，这并不意味着原子群正在分离。相反，每个单独的原子都处于一种被称为叠加态的幽灵般的量子态中，在这种状态中，它可以同时出现在两个地方。
当原子分裂和分离时，这些“幽灵”会沿着两条不同的路径彼此远离。（在当前的实验中，研究人员并没有真正移动设备本身，而是利用激光推动原子，使其产生加速度）。
“我们的玻色-爱因斯坦凝聚态是一个由原子构成的物质波池塘，我们向池塘中投入由小光包组成的‘石头’，从而向左和右发送涟漪，”Holland说。“当涟漪扩散开来后，我们将它们反射回来，并在它们受到干扰的地方将它们重新聚集在一起。”
当原子重新聚在一起时，它们会形成一个独特的图案，就像两束激光飞驰着聚合在一起，但实际上更加复杂。结果类似于玻璃上的指纹。
“我们可以解码该‘指纹’并据此模拟出原子所经历的整个加速度过程，”Holland表示。
该小组花了将近三年的时间构建该设备以实现这一壮举。
本身而言，目前的实验设备非常紧凑。尽管我们使用18束激光穿过包含原子云的真空系统，但整个实验装置足够小，有一天我们甚至可以实现便携式野外部署，“LeDesma说。
成功的秘诀之一要归功于一种被称为机器学习的人工智能技术。Holland解释说，分裂并重新组合铷原子的过程需要通过很多复杂的步骤来调整激光器。为了简化这一流程，该团队训练了一个可以提前规划这些操作步骤的计算机程序。
到目前为止，该设备只能测量比地球引力小几千倍的加速度。而现在市面上主流的技术可以做得更好。
但该团队仍在不断地改进其工程设计，并希望在未来几年内将其量子设备的性能提高数倍。尽管目前的成绩不尽人意，但这项技术还是证明了原子研发路径的可能性。
“我们并不完全确定这项研究的所有可能影响，因为它打开了一扇新领域的大门，”Holland表示。
