原子干涉儀還為慣性導(dǎo)航制造具有競爭力的陀螺儀和加速計(jì)，在某些情況下將對(duì)聲納或GPS的需求降至最低；陀螺羅盤、衛(wèi)星定位、制導(dǎo)、導(dǎo)航重力測繪和海底避障等應(yīng)用也可能即將問世。
圖2 原子干涉儀從實(shí)驗(yàn)室研究到商業(yè)應(yīng)用的時(shí)間表
德布羅意關(guān)于粒子像波一樣傳播的假設(shè)開創(chuàng)了物質(zhì)波光學(xué)領(lǐng)域的研究。隨后，原子干涉測量法受益于激光捕獲和冷卻原子、從光到原子的相干動(dòng)量轉(zhuǎn)移、光子學(xué)和納米技術(shù)等方面的關(guān)鍵工作。原子干涉測量法的現(xiàn)代演示始于1991年(a)，該領(lǐng)域在多個(gè)機(jī)構(gòu)的支持下不斷發(fā)展，包括美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)、ARO、ONR、DARPA、NASA和DOE。原子干涉測量法在重力測量(b)、慣性導(dǎo)航、土木工程、地球科學(xué)和基本常數(shù)的測量中都有應(yīng)用。30多年來的持續(xù)投資使原子干涉儀從實(shí)驗(yàn)室儀器(c)發(fā)展到基于空間的平臺(tái)，催生了新的公司和商業(yè)原型(d)、移動(dòng)裝置(e)、2020年美國宇航局冷原子實(shí)驗(yàn)室在軌道上進(jìn)行原子干涉測量實(shí)驗(yàn)(f)。即使有了這些進(jìn)展，仍然需要克服工程上的挑戰(zhàn)，以促進(jìn)原子干涉儀的商業(yè)應(yīng)用。例如，需要在激光系統(tǒng)、集成光學(xué)、原子源、真空系統(tǒng)和量子控制方面進(jìn)行重點(diǎn)工作。
3.光學(xué)磁力計(jì)
基于蒸汽、玻色凝聚體或固態(tài)系統(tǒng)(如金剛石中的氮-空位(NV)中心)中原子自旋的光學(xué)磁力計(jì)可以為本地和遠(yuǎn)程傳感、繪圖和導(dǎo)航提供功能。磁力計(jì)可用于神經(jīng)功能的生物醫(yī)學(xué)研究，例如，通過腦磁圖(MEG)了解阿爾茨海默病、帕金森病和認(rèn)知能力。MEG等技術(shù)是對(duì)生物醫(yī)學(xué)中的功能磁共振成像、腦電圖(EEG)和冷凍電子顯微鏡的補(bǔ)充。NV中心還能對(duì)微米級(jí)樣品的化學(xué)位移進(jìn)行核磁共振光譜學(xué)分析，適用于研究單個(gè)細(xì)胞的蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)。光學(xué)磁力計(jì)還可以支持生物樣本的無創(chuàng)檢測和表面科學(xué)的新工具。
圖3 左為基于SQUID的MEG，右為基于光學(xué)磁力計(jì)的MEG
基于超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)的MEG設(shè)備(a)需要低溫冷卻，有很大的占地面積和開銷。雖然適用于醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，但它們不太可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的臨床使用?；诠鈱W(xué)磁力計(jì)的MEG設(shè)備(b)可以接近甚至超過SQUID MEG的靈敏度極限，而不需要低溫冷卻或大的操作空間。這些更小、更便攜的MEG設(shè)備的一個(gè)應(yīng)用可能是在現(xiàn)場診斷腦外傷。
圖4 NV中心磁力測量法
金剛石中的氮-空位(NV)中心允許磁測量和核磁共振(NMR)光譜分析，以及空間分辨率接近納米級(jí)的成像。NV中心的研發(fā)工作已經(jīng)持續(xù)了20多年，參與者包括NSF、NIST、美國能源部、美國國防部和美國國立衛(wèi)生研究院。顯著的成就包括檢測泛素蛋白中的多種核物種，如(a)；使用NV中心的NMR光譜分辨率，如(b)；使用使用單個(gè)NV中心的掃描共焦顯微鏡、納米級(jí)磁場傳感、使用量子鉆石顯微鏡的單細(xì)胞成像、以及活體標(biāo)本中單個(gè)神經(jīng)元激發(fā)的檢測。金剛石NV磁成像儀的可能的近期應(yīng)用是檢測由多發(fā)性硬化癥等疾病引起的動(dòng)作電位傳導(dǎo)速度的變化。
4.利用量子光學(xué)效應(yīng)的裝置
利用量子光學(xué)效應(yīng)的設(shè)備提供了突破顯微鏡、光譜和干涉測量中的標(biāo)準(zhǔn)量子極限的機(jī)會(huì)。非經(jīng)典狀態(tài)的光子使測量達(dá)到海森堡極限。例如，“壓縮光”使NSF的激光干涉儀引力波觀測站(LIGO)及其國際同類設(shè)備Virgo和KAGRA在傳統(tǒng)的預(yù)期噪聲基線以下運(yùn)行。使用壓縮光大大增加了黑洞碰撞的探測率，有效地?cái)U(kuò)大了LIGO可以研究的宇宙范圍。
圖5 LIGO從理論概念到國際觀測活動(dòng)的發(fā)展時(shí)間表
