基于物质波干涉的量子陀螺仪

陀螺仪一直都是航海、航空和航天等领域导航定位不可缺少的设备。1960年代激光陀螺仪理论提出后，由于它无机械部件且无摩擦，有望全面提升惯性导航的技术指标，在相关领域产生颠覆性应用，引发世界各国广泛关注。经过三十余年的技术攻关，从上世纪末开始，在惯性导航领域激光陀螺仪逐步替代了机械陀螺仪。在技术攻关过程中，也涌现出勇挑重担的科学家。

随着激光陀螺仪的技术落地，人们又瞄准了下一代陀螺仪：量子陀螺仪。上世纪90年代开始，随着冷原子技术的发展，原子物质波干涉技术出现，并被用于实现超高精度的重力仪与陀螺仪。与激光陀螺仪类似，这里用到的也是旋转时干涉出现的Sagnac 效应。由于原子比光子质量大得多，物质波波长要短很多。发生干涉时，同样精度原子干涉仪所需的干涉区域也会小很多，只有毫米量级。因此基于原子物质波干涉，有望实现小型化的高精度陀螺仪。不过经过20多年的技术攻关，此技术路径仍旧存在很多障碍难以突破。

2010年后，人们对更大尺度（100nm）的悬浮光力学系统产生浓厚兴趣，因为它具有超低的衰减率，有望实现接近宏观尺寸的量子叠加与量子物质波干涉。在此基础上，2018年我们提出了基于悬浮纳米金刚石色心物质波干涉的超高精度重力仪：干涉区域只有微米量级，相对精度可以达到 10−10 。2020年，悬浮光力学系统的质心运动被冷却到量子基态附近，接下来人们将会制备其质心位置的量子叠加，乃至实现其质心位置波函数的干涉，从而把量子力学的适用范围推广到更大的尺度。

2023年2月，我们进一步提出悬浮金刚石色心物质波干涉陀螺仪（Optics Express 31, 8139 (2023)），精度有望超越激光陀螺仪，但是干涉区域只有微米量级，从而更易于实现芯片上的集成。论文发表后，入选了编辑推荐，看来编辑也很喜欢这个工作。

悬浮金刚石色心物质波干涉陀螺仪

虽然宏观物质波干涉陀螺仪很新颖，但是实际应用中也有很大障碍，关键问题在于宏观物质波干涉所需要的条件太苛刻，与实际应用中所面临的复杂电磁环境很难匹配。要把量子效应应用于陀螺仪，提升其精度，降低尺寸，仍需要我们寻找新的原理和新思路。我们将继续努力探索，希望能取得新的突破。