基于原子干涉的量子陀螺仪

　　0 引言

　　陀螺仪是惯性器件之一, 由于陀螺在任何环境下都具有自主导航的能力, 自问世以来, 引起了人们极大的关注, 广泛用于航海、航空、航天、军事等领域, 而且一直是各国重点发展的技术之一。在科学技术突飞猛进的今天, 与陀螺相关的技术仍然是人们关注的焦点。陀螺已有近100 年的发展史, 根据测量原理的不同研制出了各式各样的陀螺仪, 从传统的刚体转子陀螺仪到新型的固态陀螺仪, 种类十分繁多。液浮陀螺、静电陀螺和动力调谐陀螺是技术成熟的三刚钢体转子陀螺仪。随着光电技术的发展, 出现了激光陀螺、光纤陀螺, MEMS 技术的进步使得微机械陀螺应运而生。量子光学实验技术的进步, 特别是激光冷却原子技术的发展, 出现了量子陀螺仪。

　　陀螺精度的分布相差约9 个数量级, 根据其精度范围可大致分为4 部分: 低精度陀螺仪、中高精度陀螺仪、高精度陀螺仪和超高精度陀螺仪。低精度陀螺仪指精度范围超过10- 1(°/h) 的陀螺仪, 一般是机械陀螺仪和微机械陀螺仪[1- 2]。中高精度陀螺仪指精度在5×10- 4~10- 1(°/h)范围的陀螺仪, 主要有激光陀螺仪和光纤陀螺仪[3]。高精度陀螺仪指精度在10- 6～5×10- 4(°/h)范围内的陀螺仪, 主要包括静电陀螺、磁浮陀螺和液浮陀螺[4]。超高精度陀螺仪指精度范围在10- 9～10- 7(°/h), 主要是量子陀螺仪,也称原子陀螺仪, 是目前分辨率最高的陀螺仪[5]。这种陀螺仪的核心是原子干涉仪, 耶鲁大学[5- 6]和斯坦福大学[7]的实验率先展示出物质波干涉仪在精确测量中的巨大潜力。这种量子传感器的最显著的应用就是惯性测量、度量衡学以及物理基础研究中的一些尚未解决的问题, 如广义相对论的等效原理的验证。在相同的实验条件下, 用原子干涉仪测量旋转角度要比用光学方法灵敏10 个数量级。下面简单介绍其工作原理。

　　1 原子干涉的原理

　　原子干涉仪是用一冷的Rb(或Cs)原子束以两个不同的拓扑路径传播, 构成类似光学Mach!Zehnder 型干涉仪, 测量由于两原子束通过不同路径引起的相位差。在这种干涉仪中, 通过原子光学元件(例如类似光学中的分光计和反射镜, 它们已经实现光学双光子的传播)的分光和反射, 来测出由于惯性力的作用使原子波函数的相位发生变化, 然后测出这个相位的变化量。当原子吸收或发射一个光子时, 原子和光场的动量应守恒。随着原子分光镜和原子反射镜等原子光学元件的实现, 必须考虑能操控原子的适当方法, 其实光和物质的相互作用也是用来实现这个目的的主要手段。可以理解为光子的相干交换和光子动量的交换。可以由图1 描述, 在一个原子系统中, 处于|g>能级的原子由于激光的作用被分为g> 和e>两个能级, 原子所处的态取决于以下参数: 激光能量; 相互作用时间; 激光频率。