基础物理学(更不用说量子物理学)对许多人来说可能听起来很复杂，但它实际上可以用于解决日常问题。

想象一下导航到一个陌生的地方。大多数人会建议使用GPS，但如果你被困在地下隧道中，卫星的电信号无法穿透，该怎么办?这就是量子传感工具的作用所在。

南加州大学维特比信息科学研究所的研究人员乔纳森哈比夫和贾斯汀布朗均来自ISI新成立的量子限制信息实验室，他们正在致力于使原子加速度计等传感仪器更小、更精确，以便在GPS故障时用于导航。

解决尺寸难题

原子在进行精确测量方面非常出色，因为它们都是相同的。在一个实验室中进行的原子测量与在另一个实验室中进行的测量没有区别，因为原子的行为方式完全相同。

这个物理概念的应用的一个例子是利用这些原子制作一个高精度的导航系统。

“作为一名原子物理学家，我研究气体中的原子，并用激光与原子对话，”布朗说。“由于原子有质量，它们可以用来测量加速度，帮助我们制造原子加速度计等基于原子的传感器。”

哈比夫补充道：“加速度计可以让你了解自己在特定方向上移动的速度和距离。它们可以与陀螺仪配合使用，陀螺仪会告诉你是否改变了方向以及转了多远，从而进行完整的测量。当你无法使用GPS时，这些导航仪器非常有用。”

他们面临的挑战之一是如何以周到的方式设计这一目标。

例如，他们必须非常仔细地考虑如何将原子加速度计小型化。这些加速度计过去一直在大型实验室规模系统中运行，这些系统设备笨重且耗电大。为了使加速度计适合公众使用，哈比夫和布朗正在研究如何在更紧凑、更节能、更有吸引力的介质中保持其高精度。

布朗说：“我们希望将其应用于实际，同时使其变得更小，但目前我们采用的技术和材料还不太适合这样做。我正在考虑如何以不同的方式与原子对话，以便我们能够将其应用于实验室外的问题。”

国防应用和适应现实世界

量子传感设备不仅可以在无法使用GPS的地区工作，还可以成为令人兴奋的新途径的一部分：国家安全应用。

“随着各国争夺信息优势，现代冲突正变得越来越电子化，而动能化程度越来越低。GPS卫星的电信号很容易被干扰和干扰，因为它距离很远。因此，在任何现代冲突中，双方都会试图阻止对方获取这些电信号，”布朗说。

“惯性系统等更传统的导航仪器不易受干扰，因为它们通过累加加速度和旋转来测量我们的位置变化。因此，它们可以在冲突时期取代GPS。然而，所有产生的错误也会累加起来，所以我们有兴趣使用基于原子的测量来确保它更准确。”

原子加速度计就是这些惯性系统的一个例子。这些系统存在于飞机和船舶的传感器中，引导它们在空域和水域中的运动。然而，现有的机械传感器很容易因摩擦而磨损，导致它们每年都要更换，花费很多钱。它们也很难制造，因为它们又小又脆弱。

美国国防部(DoD)正在寻求升级其惯性系统，以克服这些困难。布朗和其他团队采用的基于原子的量子方法可以提供无移动部件的加速度测量。

“例如，如果潜艇想要在防御场景中保持隐身和安静，那么通过惯性系统跟踪潜艇的行动和移动方式几乎是唯一的选择。我正在为国防部研究改进这些系统的想法，以便它们可以缩小尺寸并提高成本效益，”布朗说。

简化工具

布朗坚持认为量子传感在许多方面都具有重要意义。

“为技术意外做好准备意味着为GPS失灵做好准备——问题不在于GPS是否失灵，”布朗说。“GPS很容易停止工作，因此惯性传感器永远有用。但解决尺寸问题对我们来说仍然至关重要，因为许多传感器最终仍然只有洗衣机大小。我可以简化工具本身，但我仍然需要进行良好的测量。”

实现简单性和准确性之间的微妙平衡是研究人员的主要目标，他们希望他们的努力有朝一日能够转化为现实世界的原型。