今天的大多數(shù)導(dǎo)航依賴GPS之類的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)，這類系統(tǒng)可以發(fā)送和接收來自繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星的信號(hào)。量子加速度計(jì)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，不依賴任何外部信號(hào)。
這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)可能因高層建筑物等阻礙因素而無法使用，或者可能被堵塞、模仿或拒絕，因而無法進(jìn)行準(zhǔn)確導(dǎo)航。衛(wèi)星服務(wù)無法使用一天會(huì)讓英國損失10億英鎊。
現(xiàn)在，英國的一支科研團(tuán)隊(duì)首次在國家量子技術(shù)展示會(huì)上演示了一種可移動(dòng)的獨(dú)立量子加速度計(jì)，這次盛會(huì)展示了英國國家量子技術(shù)計(jì)劃所取得的技術(shù)進(jìn)步，為此英國政府五年來已投入2.7億英鎊。
該設(shè)備由倫敦帝國理工學(xué)院和M Squared建造，由國防科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的未來感知與態(tài)勢感知計(jì)劃、工程與物理科學(xué)研究委員會(huì)以及英國創(chuàng)新組織三方提供資金來源。它是英國第一個(gè)商業(yè)上可行的量子加速度計(jì)，有望用于導(dǎo)航。
加速度計(jì)測量物體的速度隨時(shí)間的推移發(fā)生怎樣的變化。再結(jié)合物體的起點(diǎn)，就能計(jì)算出新的位置。
使用超冷原子的精度
加速度計(jì)已存在了一段時(shí)間，目前應(yīng)用于在手機(jī)和筆記本電腦之類的技術(shù)中。但是如果沒有外部參照，這些設(shè)備無法在較長時(shí)間內(nèi)保持準(zhǔn)確度。
加速度計(jì)的特寫鏡頭
量子加速度計(jì)依賴測量超冷原子的特性而獲得的精度和準(zhǔn)確度。在極低的溫度下，原子表現(xiàn)出“量子”的行為方式，工作起來既像物質(zhì)又像波。
來自帝國理工學(xué)院冷物質(zhì)中心的約瑟夫?科特(Joseph Cotter)博士說：“原子處于超冷狀態(tài)時(shí)，我們必須用量子力學(xué)來描述其運(yùn)動(dòng)方式，這讓我們得以制造出所謂的原子干涉儀?！?/p>
隨著原子不斷移動(dòng)，它們的波特性受到車輛加速度的影響。使用“光學(xué)標(biāo)尺”，加速度計(jì)就能夠非常準(zhǔn)確地測量這些微小變化。然后借助幾個(gè)相對(duì)簡單的方程式，就可以計(jì)算出你的準(zhǔn)確位置。
為了使原子足夠冷，并且在響應(yīng)加速度時(shí)探測原子的特性，就需要能夠精確控制的非常強(qiáng)大的激光器。
讓英國處于即將到來的量子時(shí)代的前沿
M Squared的量子技術(shù)科學(xué)家約瑟夫?湯姆(Joseph Thom)博士說：“我們致力于使冷原子量子傳感器實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，作為這項(xiàng)工作的一部分，我們開發(fā)了一種用于冷原子傳感器的通用激光器系統(tǒng)，我們已經(jīng)將該系統(tǒng)部署在我們研制的量子重力儀中。這種激光器現(xiàn)在還用于我們與帝國理工學(xué)院一同研制的量子加速度計(jì)。該激光器系統(tǒng)結(jié)合了高功率、超低噪聲和頻率可調(diào)性，可以對(duì)原子進(jìn)行冷卻，并提供用于加速度測量的光學(xué)標(biāo)尺。”
目前的系統(tǒng)是為大型車輛的導(dǎo)航而設(shè)計(jì)的，比如船舶、甚至列車。然而，該原理還可以用于基礎(chǔ)科學(xué)研究，比如尋找暗能量和引力波，帝國理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)還在研究這個(gè)領(lǐng)域。
帝國理工學(xué)院冷物質(zhì)中心的埃德?海因茲(Ed Hinds)教授說：“我認(rèn)為讓人極其興奮的是，這種量子技術(shù)正走出基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用于更廣闊的實(shí)際問題，而這一切完全得益于只能從這種量子系統(tǒng)才能獲得的極好的靈敏度和可靠性?！?/p>
但這不是你會(huì)在智能手機(jī)中發(fā)現(xiàn)的技術(shù)：本周在倫敦展示的原型系統(tǒng)大概有3英尺寬，而且價(jià)格非常昂貴。
此外，它目前只能在一個(gè)平面上進(jìn)行測量。研究人員表示，他們很快就能在三個(gè)平面上進(jìn)行測量，使其成為完全獨(dú)立的超級(jí)羅盤，可以在任何時(shí)候告訴你它的準(zhǔn)確位置。
不過它確實(shí)是物理學(xué)理論的第一個(gè)實(shí)際原型。據(jù)推測，研究團(tuán)隊(duì)的計(jì)劃是逐漸減小尺寸、降低成本，最終讓它應(yīng)用于像自動(dòng)駕駛汽車這樣的系統(tǒng)。
M Squared的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官格雷姆?馬爾科姆(Graeme Malcolm)博士說：“這種商業(yè)上可行的量子設(shè)備即加速度計(jì)將讓英國處于即將到來的量子時(shí)代的前沿。實(shí)現(xiàn)量子導(dǎo)航潛力的這個(gè)合作項(xiàng)目表明了英國在結(jié)合工業(yè)界和學(xué)術(shù)界方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢――立足于科學(xué)前沿的進(jìn)步，走出實(shí)驗(yàn)室，打造旨在改善社會(huì)的實(shí)際應(yīng)用。”