2023年11月2日，来自美国海军研究实验室(NRL)量子光学部门的研究物理学家Jonathan Kwolek博士将光纤电缆连接到紧凑型激光传输系统中，该系统在NRL原子干涉测量实验室的定制真空单元周围仔细排列。该装置将产生冷的、连续的原子束，并将其送入更大的真空室，以解决海军舰艇惯性导航的挑战。(美国海军摄影:Jonathan Steffen)来源:(美国海军/乔纳森·斯特芬)

美国海军研究实验室(NRL)的研究人员开发了一种正在申请专利的连续3d冷却原子束干涉仪，该干涉仪源于一种获得专利的冷原子束和连续原子束，用于探索基于原子干涉仪的惯性测量系统，作为减少海军导航系统漂移的途径。惯性导航是一种独立的导航技术，利用加速度计和陀螺仪提供的测量值来跟踪物体相对于已知起点、方向和速度的位置和方向。量子惯性导航是一个新的研究和发展领域，可以提高惯性测量精度的数量级。

“我们的干涉仪与大多数其他现代原子干涉仪的实现方式不同，”光学科学部NRL量子光学部门的研究物理学家Jonathan Kwolek博士说。“通过对冷的、连续的原子进行操作，我们为许多优势和新的测量技术打开了大门。最终，我们希望利用这项技术来改进惯性导航系统，从而减少我们对GPS的依赖。"

由于原子源的独特特性，连续3d冷却原子束干涉仪显示出有希望的测量特性，如高测量对比度，低噪声，以及改善传感器环境变化的处理。这项技术有潜力为海军提供在GPS拒绝环境中操作的能力，并克服GPS精度的限制。

由于测量平台的不同，位置估计误差会累积，导致准确的位置信息丢失。例如，目前商用惯性导航系统在360小时内的导航误差累积约为1海里。NRL打算开发新技术来延长这一时间，这样导航漂移就不会限制任务持续时间。“惯性导航领域的目标是在没有GPS的地方提供导航信息，”NRL系统研究副主任Gerald Borsuk博士说。“原子干涉测量法的出现为惯性传感提供了一种新的方法，它有可能解决当前最先进技术中的一些缺陷。”

GPS已经成为我们民用和军事世界功能的支柱，在世界任何地方提供高精度的分布式位置和定时信息。然而，在某些作战空间环境中，GPS无法发挥作用，例如水下或太空，以及以干扰、欺骗或反卫星战的形式对GPS可用性的威胁日益增加。“在一个理想的世界里，我们可以通过制造最好的惯性导航仪来避免传统导航的损失，”Kwolek说。“这是为了确保失去GPS不会让我们的船只迷失在敌人的领土中间。”

为什么要用原子干涉仪?

干涉仪是利用相干波从干扰中提取信息的装置。这类装置广泛用于位移、折射率变化和表面拓扑的精确测量。惯性导航有着广泛的应用，包括飞机、战术和战略导弹、航天器、潜艇和船舶的导航。原子物理学提供了一种独特的工具，可以极其精确地进行测量。原子干涉测量法是原子物理学中的一种方法，它使用原子物质波的量子干涉来测量环境条件(如场或惯性力)的极其精确的变化。“执行原子惯性测量与经典测量相反，会产生不同的误差依赖关系，”Kwolek说。“我们预测，如果做得仔细，原子干涉仪将比目前的领先技术表现出更好的长期噪声行为和精度。转换到惯性导航的世界，这意味着保持你的位置固定更长时间，提供更多的操作灵活性。"

原子干涉仪也可以用来调节另一个传感器，就像时钟调节GPS一样。干涉仪与共传感器的这种组合可以使干涉仪在实际测量场景中实现优势。

“这绝不是一个完整的解决方案，”Kwolek说。“操作原子干涉仪是有权衡的，例如，增强的灵敏度与更差的动态范围相关。我们正在探索多种途径来解决这个问题，包括共传感器的实现或替代冷原子技术。"

这项量子光学研究是由NRL基础计划和海军研究办公室资助的。《2024财年国防授权法案》指出，量子技术正在接近一个临界点，这将决定它能以多快的速度产生影响。如果美国能够跟上步伐，国防部(DOD)的许多重要成果就可以实现，包括强大的定位、导航和国防部精确打击行动自由的时机，即使是在频谱、空间或网络作战方面的竞争。海军减少对GPS的依赖

自成立以来，NRL一直为舰队提供导航解决方案，但在20世纪60年代，GPS的发明取得了突破。

1967年5月31日，NRL发射了TIMATION 1号，1969年8月30日发射了TIMATION 2号。我演示了使用时间同步卫星的距离测量，水面船只可以定位在十分之二海里以内，飞机可以定位在十分之三海里以内。

虽然最初是为军事用途设计的，但GPS已经适应了民用导航需求，从商业航空到便携式手持设备和腕表类型的设备。今天，GPS是一个由32颗地球轨道卫星组成的星座，为全球的军事和民用最终用户提供精确的导航和定时数据。尽管GPS已经发展了几十年，但优化的惯性导航系统为海军提供了降低完全依赖GPS的风险的能力。“在现代，NRL是解决海军惯性导航挑战的几个研究机构之一，”NRL量子光学部门负责人Adam Black博士说。“该实验室正在利用先进的原子和光学技术来发明惯性测量的新架构，这有望为动态海军平台提供精确导航。”