量子測量大突破！科羅拉多大學團隊打造「原子干涉儀」實現三維加速度偵測

科羅拉多大學波德分校的物理學家近期完成一項被視為「不可能」的量子技術突破。研究團隊運用極低溫原子雲與雷射技術，成功開發出能同時測量三維空間加速度的量子裝置，這項成果已發表於《科學進展》期刊。

傳統原子干涉儀僅能偵測單一方向的加速度，但研究共同作者、物理系研究生肯德爾·梅林指出：「我們生活在三維世界，要精確掌握移動軌跡，就必須同步追蹤三個維度的加速度變化。」這項創新技術未來可望應用於潛艦、太空船及自動駕駛車輛的導航系統。

這項研究由梅林、博士後研究員凱蒂·勒德斯馬，以及JILA研究所物理學教授穆雷·荷蘭共同完成。JILA是科羅拉多大學與美國國家標準技術研究院(NIST)的合作機構。2023年，NASA更透過量子路徑研究院提供550萬美元經費，支援團隊繼續開發這項感測技術。

這項裝置的工程設計令人驚艷。研究團隊使用六道僅有人類頭髮粗細的雷射，捕捉數萬個銣原子組成的原子雲，並透過人工智慧調整雷射的複雜模式，觀察原子對微小加速度的反應，原理類似踩踏汽車油門時的加速度變化。

現今多數交通工具仍依賴GPS和傳統電子加速計進行導航。雖然量子裝置尚未能完全取代現有技術，但研究人員看好原子導航技術的發展潛力。「傳統感測器長期使用會隨環境老化，但原子永遠不會『過期』。」梅林解釋道。

干涉儀技術已有數百年歷史，從光纖通訊到重力波偵測都有應用。基本原理就像「拉開與合上外套拉鍊」——將物質分離後再重新組合。在雷射干涉儀中，科學家將雷射光束分為兩道，當它們因路徑差異重新結合時，產生的干涉圖樣能揭示重要資訊。

這項研究的創新之處在於改用原子替代光線進行干涉測量。裝置目前約有氣墊球檯大小，研究人員先將銣原子冷卻至接近絕對零度，形成稱為「玻色-愛因斯坦凝聚態」(BEC)的量子態物質。2001年諾貝爾物理學獎得主、科羅拉多大學的卡爾·威曼與JILA的埃裡克·康奈爾正是BEC的發現者。

接著團隊用雷射「搖動」原子，使每個原子同時存在於兩個位置的量子疊加態。當這些「量子幽靈」沿不同路徑移動後重新結合，會形成獨特的干涉圖樣，就像留在玻璃上的指紋。「我們能解讀這份『指紋』，從中提取原子經歷的加速度。」荷蘭教授生動比喻。

團隊耗時近三年打造這套裝置。勒德斯馬表示：「儘管使用18道雷射光束，但整個系統相當緊湊，未來具備實地部署的潛力。」關鍵在於運用機器學習技術，讓電腦預先規劃雷射調整的複雜步驟。

目前這項技術的測量精度仍不及現有裝置，但團隊持續改進工程設計，預計未來幾年將大幅提升效能。荷蘭教授強調：「這項研究開啟了嶄新可能性，我們還無法完全預見所有潛在應用。」