原子干涉仪是一种量子传感器，它利用原子的波状性质，以极高的精度测量重力、加速度和旋转。
目前的大多数原子干涉仪都是大型仪器，占用建筑物，需要几十米高的塔。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，其核心尺寸几乎无法被人眼看到。
该研究的主要作者、密歇根大学博士生比尼特·达什说，这种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。
达什说，科学家们可以利用原子干涉仪进行各种探索，从持续寻找由引力波引起的宇宙结构中的微小涟漪，到了解由南极洲冰盖融化引起的地球引力的微小局部变化。但是由于它们的尺寸，原子干涉仪通常被限制在实验室环境中。目前，最灵敏的原子干涉仪使用建筑物内的高塔发射几十米外的原子束来收集信息。
Dash和U-M物理学家Georg Raithel的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一个针轮形状的几何形状中，这个几何形状的半径可以从30微米(小于人类头发的直径)到10倍大(约300微米)不等。研究人员的设计发表在AVS量子科学杂志上。
Dash说:“这种干涉仪并不是对其他地方开发的现有设计的增量改进。”“这是基于我们集团在2021年提出的一种完全不同的方法。”
目前，研究人员经常使用基于激光波干涉的干涉仪。Dash说，在天体物理学中，这种光学干涉仪被用来探测引力波。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。
“人们经常说，已经有一种传感器可以和光一起工作。为什么我们需要开发一种使用量子力学的传感器?”冲说。“一个主要的动机是，在相同的条件下，原子干涉仪的灵敏度可以比光学干涉仪高几个数量级。”
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，光可以用来测量旋转:如果你把光发送到一个旋转的物体周围，然后发送另一束光与旋转方向相反，光波就会重叠。但是这些光波相互“干扰”，并开始在它们传播的路径上显示出不同。这个差值可以用来测量旋转的速度。
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。Dash说，因为它们的波长比光的波长小得多，所以它们可以比光干涉仪更精确、更灵敏地进行旋转测量。
但是除了它们的大尺寸之外，大多数现有的原子干涉仪的操作方式也给它们在实验室之外的使用带来了问题。达什说，原子在实验室塔中以不同的路径被激光脉冲射入真空中。一个原子路径到达比另一个更高的地方，然后它们在底部相遇。它们相遇的时间差提供了有关背景加速的信息。
当原子被释放到自由空间时，它们就会分散，而当它们分散时，信息就会丢失。在某一时刻，原子会分散到一定程度，所有的信息都丢失了。虽然原子流一起发射，但许多原子不会相遇，这导致了更多的信息丢失。
2021年，Raithel的实验室(Dash是其中的一名学生)利用“光学晶格”的想法，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，原子可以被困在光网格的最小处，就像鸡蛋放在鸡蛋盒里一样。光学晶格使原子受到限制，并允许实验人员引导原子沿着预定的路径再次相遇。
2021年的研究表明，通过仔细调整激光参数，不同量子态的原子可以被困在不同的晶格中。利用激光脉冲，研究人员可以制造出被困在两个这样的光学晶格中的量子叠加态。在相反的方向上移动这两个晶格会在两个原子流之间产生滞后，然后可以用它来读取背景加速度。
但2021年的设计只能让原子沿着直线来回移动，这不适用于旋转传感。
在目前的研究中，Raithel的实验室设计了一种方法，使用一种特殊的激光束，使原子以角状模式发射，而不是线性驻波模式。
Dash说:“它看起来像一个风车，通过稍微改变激光频率，风车的速度就可以改变。”“在预定的旋转时间之后，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。”
Dash说，虽然这篇论文描述了一个概念验证设计，但Raithel实验室目前正在进行一个利用玻色凝聚冷原子源的原型实验。
达什说:“目前的原子干涉仪对基础物理很有用，但它们很重，功率大，占用很多空间，而且本质上是因为它们的几何足迹，它们没有实际用途。”
“我们的研究是关于原型开发的。但这是一种非常通用的技术，可以适用于实际应用，例如惯性导航和重力测绘，以及基础物理学的研究。”
