拆開智慧型手機、健身追蹤器或VR頭顯，你會發現裏面有一個微小的運動傳感器，可以追蹤手機的位置和運動。同樣的技術還有更大、更昂貴的版本，它們只有一個葡萄柚大小，精確度高出上千倍，可幫助船舶、飛機和其他車輛在GPS的輔助下航行。
珊迪亞國家實驗室的四通道矽光子單邊帶調變器芯片，每邊尺寸為 8 公釐，標有綠色的珊迪亞雷鳥標誌。資料來源：克雷格-弗裏茨，珊迪亞國家實驗室
量子傳感領域的一個裏程碑正日益臨近，它有望實作極其精確的無 GPS 導航。
現在，科學家們正在嘗試制造一種如此精確的運動傳感器，它可以最大限度地減少國家對全球衛星定位的依賴。直到最近，這樣一個傳感器--靈敏度比現在的導航級裝置高出一千倍，但它的體型龐大，需要一輛移動卡車才能搭載。但隨著技術的進步，這種技術的體積和成本都在大幅縮小。
珊迪亞國家實驗室的研究人員首次使用矽光子微芯片元件來執行一種名為原子幹涉測量法的量子傳感技術，這是一種超精確測量加速度的方法。這是開發一種量子指南針的最新裏程碑，這種指南針可在沒有全球定位系統訊號的情況下進行導航。
珊迪亞國家實驗室科學家 Jongmin Lee（左）在為原子幹涉測量實驗準備銣冷原子池，科學家 Ashok Kodigala（右）和 Michael Gehl 在初始化封裝單邊帶調變器芯片的控制裝置。資料來源：克雷格-弗裏茨，珊迪亞國家實驗室
研究小組在【科學進展】（Science Advances）雜誌上以封面故事的形式發表了他們的研究成果，並介紹了一種新型高效能矽光子調變器（一種在微型芯片上控制光線的裝置）。
這項研究得到了珊迪亞實驗室指導研發計劃的支持。研究部份是在國家安全光子中心進行的，該中心是一個合作研究中心，為國家安全部門的復雜問題開發整合光子解決方案。
珊迪亞科學家李鐘民（Jongmin Lee）說："在現實世界中，當 GPS 訊號不可用時，精確導航就成了一項挑戰。在戰區，這些挑戰構成了國家安全風險，因為電子戰部隊可以幹擾或欺騙衛星訊號，擾亂部隊的行動和作戰。透過利用量子力學原理，這些先進的傳感器在測量加速度和角速度方面提供了無與倫比的精確度，即使在GPS覆蓋區域也能實作精確導航。"
通常情況下，一個原子幹涉儀是一個傳感器系統，可以填滿一個小房間。一個完整的量子羅盤（更準確地說是量子慣性測量單元）需要六個原子幹涉儀。
但李和他的團隊一直在想方設法減小其體積、重量和功耗。他們已經用一個酪梨大小的真空室取代了一個耗電的大型真空泵，並將通常在光學台上精巧排列的幾個元件合並成了一個單一、堅固的儀器。
新型調變器是微芯片雷射系統的核心。它堅固耐用，可承受劇烈振動，將取代通常只有冰箱大小的傳統雷射系統。
在原子幹涉儀中，雷射可以執行多種工作，珊迪亞團隊使用四種調變器來改變單個雷射的頻率，以執行不同的功能。不過，調變器通常會產生不需要的回聲，稱為邊帶，需要加以緩解。
珊迪亞公司的抑制載波單邊帶調變器將這些邊帶降低了前所未有的47.8分貝--這一指標通常用於描述聲音的強度，但也適用於光的強度--使其降低了近100000倍。
珊迪亞科學家阿肖克-科迪加拉（Ashok Kodigala）說："與現有技術相比，我們大幅提高了效能。"
除了體積，成本也是部署量子導航裝置的主要障礙。每個原子幹涉儀都需要一個雷射系統，而雷射系統需要調變器。僅一個全尺寸單邊帶調變器（市售）就超過 1 萬美元。將體積龐大、價格昂貴的元件微型化為矽光子芯片，有助於降低這些成本。
科迪加拉說："我們可以在一個 8 英寸晶圓上制作數百個調變器，在一個 12 英寸晶圓上制作更多的調變器。由於它們可以使用與幾乎所有電腦芯片相同的工藝制造，這種復雜的四通道元件，包括額外的客製功能，可以以比當今商業替代品低得多的成本大規模生產，從而能夠以更低的成本生產量子慣性測量單元。"
隨著這項技術越來越接近實地部署，研究小組正在探索導航以外的其他用途。研究人員正在研究該技術是否可以透過探測地球重力的微小變化來幫助定位地下洞穴和資源。他們還看到了他們發明的光學元件（包括調變器）在雷射雷達、量子計算和光通訊領域的套用潛力。
李和科迪加拉代表了多學科團隊的兩半。其中一半，包括李在內，由量子力學和原子物理學專家組成。另一半人，比如科迪加拉則是矽光子學方面的專家--想象一下一個微型芯片，但它的電路中執行的不是電，而是光束。
這些團隊在珊迪亞的微系統工程、科學和套用綜合大樓開展合作，研究人員在這裏設計、生產和測試用於國家安全套用的芯片。
該團隊的宏偉計劃--將原子幹涉儀轉化為緊湊型量子羅盤--在學術機構的基礎研究和科技公司的商業開發之間架起了一座橋梁。原子幹涉儀是一項成熟的技術，可以成為不依賴全球定位系統導航的絕佳工具。珊迪亞正在進行的努力旨在使其更加穩定、實用和具有商業可行性。
國家安全光子中心與工業界、小型企業、學術界和政府機構合作，開發新技術並幫助推出新產品。珊迪亞擁有數百項已授權專利和數十項正在申請中的專利，這些專利都支持珊迪亞的使命。
編譯自/ScitechDaily
