Science Advances | 量子传感：迈向无GPS精确导航的里程碑

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引言
* u& S. F+ z8 e$ V& H& a导航技术已经成为日常生活中不可或缺的一部分。从智能手机到船舶和飞机，运动传感器和全球定位系统（GPS）提供了精确的位置信息。然而，在某些情况下，需要更高精度的导航系统，特别是在GPS信号不可用的情况下。这就是量子传感技术发挥作用的地方 [1]。

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$ G5 A& c. `8 Z+ b: x7 ~+ j量子传感的突破
/ n. h, n3 V. _5 l) N& H科学家们正在努力开发精度极高的运动传感器，其灵敏度比当今的导航级设备高1000倍。这种传感器有望最大限度地减少我们对全球定位卫星的依赖。

桑迪亚国家实验室的研究人员最近取得了重大突破。他们首次使用硅基光电子微芯片组件执行了一种称为原子干涉仪的量子传感技术。这是朝着开发一种用于无GPS导航的"量子指南针"迈出的重要一步。

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3 V- j7 R- L5 }! h7 L图1.概念图展示了用于冷原子干涉仪实验的全集成多通道硅基光电子单边带（SSB）调制器芯片，由单个集成激光源供电。

/ @5 I9 \2 J6 `6 t/ O) X, @技术细节
原子干涉仪
$ j' k- L( l- q) G$ M3 I1 y) p3 R- s原子干涉仪是一种超精密的加速度测量方法。传统上，这种传感器系统会占据一个小房间的空间。一个完整的量子指南针（更准确地称为量子惯性测量单元）需要六个原子干涉仪。

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& K2 y" v4 X- p( R; o5 Z5 e, k图2. 基于1560至780纳米频率倍增方法的光电子集成芯片（PIC）激光架构，用于原子干涉仪。该PIC激光系统包含三个主要功能模块：光调制（硅基光电子）、光放大（III-V族半导体）和光频率倍增（锂铌酸盐）。这些模块通过混合/异质集成和光电共封装集成到单一PIC平台上。其中，SSBM是硅基光电子单边带调制器，ΦMOD是额外的片上相位调制器，SOA是半导体光放大器，SHG是二次谐波发生器。硅基光电子中的每个通道都包含一个可变光衰减器，用于控制光强度。
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微型化进展
研究团队已经在减小系统的尺寸、重量和功耗方面取得了显着进展：

将大型真空泵替换为鳄梨大小的真空室

将通常分布在光学台上的多个组件整合到单个刚性装置中

开发了一个芯片上的激光系统，其核心是新型调制器
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图3. 桑迪亚实验室开发的用于SC-SSB调制的硅基光电子调制器。
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A. 双并行马赫-曾德尔调制器（DP-MZM）的操作示意图，包含三个区域（R1、R2和R3）。R2和R3并行，各自包含一个MZM。R1有一个热光（TO）相移器，R2和R3各有一个TO相移器和两个具有适当射频相位偏移的电光（EO）相位调制器。独立控制R2和R3实现高性能SC-SSB生成。

7 K  w7 u" x9 g7 eB. 一个光电封装的单通道硅基光电子SSB调制器照片，显示用于光线的V形槽阵列和连接到印刷电路板的直流和射频键合线。

C. 制造的硅基光电子DP-MZM调制器的俯视图，显示到中间层芯片的直流键合线，每个嵌套MZM采用推挽配置构成DP-MZM。

: ]" I6 g* G1 m: J# `* M9 h突破性的调制器
新开发的调制器是重大突破：

能够将不需要的回波（边带）减少47.8分贝，相当于强度下降了近100,000倍。

研究团队使用四个调制器来改变单个激光的频率，以执行不同的功能。

这种复杂的四通道组件可以大规模生产，成本远低于当前的商业替代品。
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图4. 特征分析SC-SSB调制器芯片的实验设置。使用自外差测量装置来表征SSB调制，该装置包括连续波电信波长输入激光器（Keysight 81606A）、偏振控制器、频率为110 MHz的声光调制器（AOM）、光纤耦合器/分束器和光电二极管。从两个独立光路（一个来自硅基光电子调制器输出，另一个来自频移AOM输出）合并的光拍频信号由光电二极管检测，并由射频频谱分析仪分析。DP-MZM有四个输出端口（A、B、C和D）。在完全运行时，两个内部输出端口（B和C）输出边带信号，而两个外部输出端口输出不需要的光载波。

7 L, j6 H" h& c+ G对于射频输入，我们使用单个多通道射频源（Holzworth 9004B）的两个独立射频通道（RF Ch1和RF Ch2）分别驱动R2和R3区域（灰色高亮）。每个嵌套MZM（R2或R3）设计为推挽配置运行。所有直流和射频控制线路都以黑色箭头显示，包括TO相移器和EO调制器。

应用前景
6 J4 g% `5 n6 Q/ V( p$ K虽然无GPS导航是主要目标，但研究团队也在探索这项技术的其他潜在应用：

地下探测：可能用于定位地下空腔和资源，通过检测它们对地球引力造成的微小变化。

激光雷达（LIDAR）：改进的光学组件可能应用于自动驾驶、3D地图绘制等领域。

量子计算：开发的光学组件可能在量子计算领域找到应用。

光通信：新型调制器可能提高光通信系统的效率。
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3 m3 y. Q: c  v* I( M未来展望
将这项技术从实验室带到实际应用还面临一些挑战：

进一步微型化：尽管已经大大缩小，但仍需继续减小尺寸以适应更多应用场景。

环境适应性：需要提高系统在各种实际环境中的稳定性。

与现有系统集成：需要开发与当前导航和通信基础设施兼容的解决方案。
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研究团队正在努力解决这些挑战，以实现这项技术的实际应用。他们的工作代表了基础研究和商业开发之间的重要桥梁。

结论
( C' I. W) r$ r量子传感技术在导航领域的应用代表了重要的科技突破。不仅有望提供比GPS更精确的定位，还可能在地下探测、量子计算等多个领域产生深远影响。随着研究的深入和技术的成熟，可以期待在不久的将来看到这项技术在各种实际应用中的表现。
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; m/ B* y4 y& I3 {参考文献
9 f% T: A( T2 s" k/ G2 e/ d[1] Kodigala et al., "High-performance silicon photonic single-sideband modulators for cold-atom interferometry," Science Advances, vol. 10, no. 32, Aug. 2024, doi: 10.1126/sciadv.ade4454.

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