据外媒报道，在一项新研究中，科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的物理学家利用冷却至极低温度的原子云同时测量三维加速度。

图片来源： 科罗拉多大学

这种装置是一种新型原子“干涉仪”，未来或许能帮助人们更精确地导航潜艇、航天器、汽车和其他交通工具。

“传统的原子干涉仪只能测量单维加速度，但我们生活在一个三维世界中，”这项新研究的合著者、科罗拉多大学博尔德分校物理系研究生Kendall Mehling说道。“为了知道我要去哪里，以及我去过哪里，我需要追踪我在三个维度上的加速度。”

研究人员本月在期刊《Science Advances》上发表了题为“光学晶格中的矢量原子加速度测量（Vector atom accelerometry in an optical lattice）”的论文。团队成员包括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。

这台新装置堪称工程奇迹：Holland及其同事使用六根细如发丝的激光器，将数万个铷原子云固定到位。然后，在人工智能的帮助下，他们以复杂的模式操控这些激光器——这使得团队能够测量原子在微小加速度（例如踩下汽车油门）下的反应行为。

如今，大多数车辆使用GPS和传统的电子设备（称为加速度计）来追踪加速度。该团队的量子设备在与这些工具竞争之前还有很长的路要走。但研究人员看到了基于原子的导航技术的巨大潜力。

“如果将经典传感器放置在不同的环境中多年，它就会老化和衰减，”Mehling表示。“时钟里的弹簧会发生变化和弯曲。但原子不会老化。”

运动的指纹

干涉仪，以各种形式存在了几个世纪——它们被用于各种领域，从通过光纤传输信息到寻找引力波，或者宇宙结构中的涟漪。其基本原理是将物体分开再重新组合，就像拉开夹克的拉链再拉上一样。

例如，在激光干涉测量法中，科学家首先发射一束激光，然后将其分成两束相同的光束，分别沿着两条不同的路径传播。最终，他们将两束光束重新组合在一起。如果激光在传输过程中受到了不同的影响，例如引力以不同的方式作用，那么它们在重新组合时可能无法完美地融合。

换句话说，拉链可能会卡住。研究人员可以根据两束曾经相同的光束现在如何相互干扰来进行测量——因此得名。在当前的研究中，该团队实现了同样的壮举，但使用的是原子而不是光。

它的工作原理如下：该装置目前放置在一个大约相当于空气曲棍球桌大小的长凳上。首先，研究人员将一组铷原子冷却到仅比绝对零度高几十亿分之一摄氏度的温度。

在那片冰冷的领域，原子形成了一种神秘的物质量子态，被称为玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein Condensate，BEC）。

接下来，该团队利用激光抖动原子，将它们分裂开来。在这种情况下，这并不意味着原子群正在分离。相反，每个原子都存在于一种被称为叠加态的幽灵般的量子态中，在这种状态下，它可以同时存在于两个不同的位置。

当原子分裂分离时，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，研究人员实际上并没有移动设备本身，而是使用激光推动原子，从而产生加速度）。

“我们的玻色-爱因斯坦凝聚态是一个由原子组成的物质波池，我们将由小光包组成的石子扔进池子，在池子左右两侧产生涟漪，”Holland说道。“涟漪扩散开来后，我们会将它们反射回来，并在它们发生干涉的地方重新汇聚。”

当原子重新汇聚时，它们会形成一种独特的图案，就像两束激光快速汇聚在一起一样，但更加复杂。其结果就像玻璃上的拇指印。

“我们可以解码这个指纹，并提取原子所经历的加速度，”Holland说道。