目前，大多数原子干涉仪都是大型仪器，占用建筑物，需要高达数十米的塔。现在，密歇根大学的物理学家已经开发出一种量子旋转传感器的设计，其核心尺寸几乎人眼看不见。

据该研究的主要作者、密歇根大学博士生BineetDash介绍，该概念验证设计可以帮助将基于原子干涉仪的量子传感器从实验室带到现实世界。

达什表示，科学家可以利用原子干涉仪进行各种探索，从不断寻找引力波引起的宇宙结构中的微小波动，到了解南极冰盖融化引起的地球引力的微小局部变化。但由于原子干涉仪尺寸较大，通常只能在实验室环境中使用。目前，最灵敏的原子干涉仪使用建筑物内的高塔将原子束发射到数十米外以收集信息。

Dash和密歇根大学物理学家GeorgRaithel实验室开发的新设计使用一种特殊的激光束，将原子捕获在风车状几何结构中，其半径可以从30微米(小于人类头发的直径)到大约10倍(约300微米)不等。研究人员的设计发表在《AVSQuantumScience》杂志上。

达什说：“这种干涉仪并不是对其他地方开发的现有设计的渐进式改进。这是基于我们团队在2021年提出的一种根本不同的方法。”

目前，研究人员经常使用基于激光波干涉的干涉仪。达什说，在天体物理学中，这种光学干涉仪用于探测引力波。在惯性导航中，光学干涉仪用于测量飞机、船舶和卫星的旋转。

“人们常说，已经有了利用光工作的传感器。为什么我们需要开发利用量子力学的传感器?”达什说。“一个主要动机是，在相同条件下，原子干涉仪的灵敏度可以比光学干涉仪高出几个数量级。”

基于光干涉仪的旋转传感器利用了所谓的萨格纳克效应。法国物理学家乔治·萨格纳克发现光可用于测量旋转：如果你将光发射到旋转物体周围，然后向旋转方向反向发射另一束光，光波就会重叠。但这些光波会相互“干扰”，并开始显示出传播路径的差异。这种差异可用于测量旋转速度。

原子干涉旋转传感器基于相同的概念。根据量子力学，原子是粒子，但它们的行为也像波。根据Dash的说法，由于它们的波长比光的波长小得多，因此它们可以比光干涉仪进行更准确、更灵敏的旋转测量。

但除了体积大之外，大多数现有原子干涉仪的运行方式也给它们在实验室外的使用带来了问题。达什说，原子通过激光脉冲以不同的路径被射入实验室塔内的真空中。一条原子路径比另一条路径更高，然后它们在底部相遇。它们相遇时的滞后提供了有关背景加速度的信息。

当原子被释放到自由空间时，它们会分散，而当它们分散时，信息就会丢失。在某个时刻，原子会分散到足以使所有信息都丢失的程度。尽管原子流是一起发射的，但许多原子并没有汇合，这导致更多的信息丢失。

2021年，达什所在的Raithel实验室利用“光学晶格”的概念，试图缩小原子干涉仪的尺寸。当两束以相反方向移动的激光束交叉路径产生光网格时，就会产生光学晶格。达什说，在适当的条件下，原子可以被困在光栅的最小值处，就像鸡蛋放在鸡蛋盒里一样。光学晶格将原子限制在一定范围内，并允许实验者引导原子沿着预定的路径前进，这些路径肯定会再次相遇。

2021年的研究表明，通过仔细调整激光参数，可以将处于不同量子态的原子捕获在不同的晶格中。利用激光脉冲，研究人员可以制作出被捕获在两个这样的光学晶格中的量子态叠加。将这两个晶格朝相反方向移动会在两股原子流之间产生滞后，然后可以用来读取背景加速度。

但2021年的设计仅能沿直线来回移动原子，这不适合旋转感应。

在当前的研究中，Raithel的实验室设计了一种方法，使用一种特殊的激光束，以角度模式而不是线性驻波模式发射原子。

“它看上去像一个风车，通过稍微改变激光频率，风车的速度就可以改变，”达什说。“在预定的旋转时间后，风车之间会产生滞后，我们可以利用这种滞后来计算背景旋转。”

达什表示，虽然该论文描述了一个概念验证设计，但Raithel实验室目前正在进行利用Bose凝聚冷原子源的原型实验。

达什说：“目前的原子干涉仪对于基础物理学来说非常有用，但它们很重，耗能大，占用大量空间，而且由于它们的几何尺寸，它们在实际中并不实用。”

“我们的研究是关于原型开发。但这是一项非常通用的技术，可以适用于惯性导航和重力测绘等实际应用，以及基础物理研究。”