基于原子體系的量子慣性傳感器研究現狀綜述

慣性傳感器的性能直接決定慣性導航系統的精度?；谠芋w系的量子慣性傳感器有望在更小體積和更低成本下達到傳統慣性傳感器的性能，且理論上可以獲得比現有技術更高的測量靈敏度和長期穩定性。近些年隨著量子精密測量領域的快速發展，量子慣性傳感器的實用化和工程化方面研究進展顯著，未來通過替代傳統加速度計和陀螺儀，有可能形成高度集成、低功耗和低漂移的量子慣性導航系統。

據麥姆斯咨詢報道，針對該領域研究，湖南高地光電科技發展有限公司、國防科技大學前沿交叉學科學院、量子信息機理與技術湖南省重點實驗室的研究團隊進行了綜述分析，簡要介紹了基于原子體系的量子慣性傳感器的基本原理，總結了以原子干涉陀螺儀、原子自旋陀螺儀、原子干涉加速度計、原子干涉重力儀和重力梯度儀為主的量子慣性傳感器研究現狀，并對有待解決的關鍵技術問題進行了梳理和分析，以期為量子慣性傳感器的發展提供參考。相關研究內容以“基于原子體系的量子慣性傳感器研究現狀”為題發表在《儀器儀表學報》期刊上。

基于原子體系的量子慣性傳感器主要分為干涉式和自旋式兩大類，前者的基本原理類似于光學干涉儀，主要利用原子的物質波干涉來敏感載體的慣性信息，包括原子干涉陀螺儀、原子干涉加速度計、原子干涉重力儀和原子干涉重力梯度儀；后者利用原子核和電子的自旋來敏感轉動信息，包括核磁共振陀螺儀、無自旋交換弛豫陀螺儀和金剛石NV色心陀螺儀。

原子干涉式量子慣性傳感器研究進展

（1）原子干涉陀螺儀

陀螺儀是慣性導航系統的核心器件，原子干涉陀螺儀也是根據Sagnac效應來測量角速度。盡管理論上原子陀螺儀的靈敏度比光學陀螺儀要高很多，但目前原子干涉陀螺儀的性能指標并不比激光陀螺儀（RLG）和半球諧振陀螺儀（HRG）有很大優勢，且還處于實驗室樣機階段。原子干涉陀螺儀未來有望適用于戰略級潛艇、洲際彈道導彈等場景。

圖1 按工作原理劃分的陀螺儀零偏穩定性比較

圖2 斯坦福大學和巴黎天文臺研制的冷原子干涉陀螺儀

圖3 中科院精密測量院研制的Mach-Zehnder型原子干涉陀螺儀

圖4 法國巴黎天文臺實驗室研制的環形導引原子芯片干涉陀螺儀

圖5 未來高度集成的原子芯片概念圖

（2）原子干涉加速度計

原子干涉加速度計同樣有長期穩定性好、理論精度高的優點（對重力加速度的測量精度已達10?? g量級），但目前和傳統加速度計相比，依舊存在動態范圍小，體積、質量和功耗大的不足。

圖6 按工作原理劃分的加速度計穩定性比較

圖7 英國M Squared公司和法國iXBlue公司研制的兩臺緊湊型原子干涉加速度計

（3）原子干涉重力儀和重力梯度儀

實現高精度慣性導航的解決思路之一是利用重力信息進行輔助導航：一是利用高精度的實測重力信息修正慣性導航系統中使用的“模型重力”來提高導航精度，從系統本身角度提高導航定位精度。目前，對重力加速度的靜態絕對測量是原子干涉技術最成熟的應用，已經開始商用的原子重力儀產品在測量精度和長期穩定性方面都展現出比傳統重力儀更強的性能。二是利用重力場圖形匹配技術來限制慣性導航系統誤差隨時間積累，這種無源重力導航技術，可以提高系統的定位精度，延長系統的重調周期。目前，實現重力梯度測量的技術方案有旋轉加速度計方案、靜電懸浮方案、超導方案和原子干涉方案。其中，旋轉加速度計方案是技術成熟度和可靠性最高的方案。

圖8 美國AOSense公司和法國iXblue公司（AQG-B）分別推出的原子重力儀產品

圖9 國內部分機構研制的可搬運原子干涉重力儀

圖10 加州大學伯克利分校和國防科技大學分別研制的車載原子干涉重力儀

原子自旋式量子慣性傳感器研究進展

基于原子自旋體系的原子慣性傳感器目前主要應用于陀螺儀，它主要利用原子核和電子的自旋來敏感轉動信息。

圖11 基于原子自旋的轉動測量理論與技術進展

（1）核磁共振陀螺儀

核磁共振陀螺儀是通過檢測惰性氣體核自旋在靜磁場中的拉莫爾進動頻率變化來獲得轉動信息，它具有精度高（理論精度為10??°/h）、體積小和成本低的特點。核磁共振陀螺儀沒有運動部件，還具有抗振動、大動態和高帶寬等特點，能夠應用于捷聯式慣導系統中。因此，在未來小型化的智能設備和智能軍用裝備領域，核磁共振陀螺儀會有很好的應用潛力，是當前發展最為成熟的原子陀螺儀，也是實現芯片導航級陀螺儀的重要技術途徑之一，受到慣性導航領域的廣泛關注。

圖12 核磁共振陀螺儀工作原理和樣機

圖13 芯片級組合原子導航儀（C-SCAN）概念圖和加州大學歐文分校的MEMS核磁共振陀螺儀原型機

圖14 北京自動化控制設備研究所核磁共振陀螺儀研究歷程

（2）無自旋交換原子陀螺儀

無自旋交換（SERF）原子陀螺儀是基于堿金屬原子的電子自旋和惰性氣體原子的核自旋檢測來實現角速度測量，通過選取堿金屬原子的電子自旋角動量（ESAM）和惰性氣體原子的原子核自旋角動量（NSAM）構成如圖15所示結構。由于電子旋磁比更大，因此SERF陀螺儀的測量精度相較于核磁共振陀螺儀更高，其理論精度可達10??°/h，在海陸空天等軍事領域有比較大的應用潛力。

圖15 SERF弛豫原子陀螺儀工作原理

圖16 普林斯頓大學的第1代和第2代SERF陀螺儀研究平臺

圖17 北京航空航天大學第1代SERF陀螺儀

（3）金剛石氮-空位（NV）色心陀螺儀

金剛石NV色心陀螺儀利用慣性轉動過程中色心自旋態（包括氮空位中的核自旋或電子自旋）累積的幾何相位變化，來敏感慣性參量。金剛石NV色心陀螺儀因其固態自旋密度高和能級結構穩定等特征，不僅具備體積微小、環境適應性強和啟動迅速等天然優勢，而且能夠進行多軸測量。這為研究人員提供了嶄新的方向，有望克服原子陀螺儀在集成和小型化方面所面臨的技術挑戰。

研究總結與展望

基于原子體系的量子慣性傳感器有望在更小體積和更低成本下達到傳統慣性傳感器的性能，且理論上可以獲得比現有技術更高的測量靈敏度和長期穩定性，有望開啟下一代量子慣性導航時代。然而，該領域研究目前正處于從實驗室到現場部署的過渡階段，依舊面臨高成本、尺寸和重量較大、功耗高等一系列問題。不同原理的傳感器成熟度相差較大，例如原子干涉重力儀和重力梯度儀已經逐步進入商業化應用。易集成、低功耗和抗振動強的核磁共振陀螺儀目前處于工程樣機階段，集成度最高。而超高精度的原子干涉陀螺儀和SERF陀螺儀還處于實驗室樣機階段，金剛石NV色心陀螺儀目前僅有學術研究價值。

展望未來，原子慣性傳感器未來的發展趨勢依舊是小型化和高精度，通過微納加工工藝和集成電路制造技術，開發便攜式光電集成電路替代原先的空間光學組件，將原子操控裝置微型化甚至實現片上集成，從而實現緊湊型、低功耗、高精度和穩定的原子慣性傳感器。另外，利用多種慣性傳感器進行組合導航，充分利用其不同的優勢以提高整體系統性能，也是未來的發展方向之一。此外，量子壓縮與糾纏、多光子大動量轉移和光晶格囚禁等前沿量子技術的發展和引入有望更進一步提升原子慣性傳感器的測量性能并拓寬其應用領域。

論文信息：
DOI: 10.19650/j.cnki.cjsi.J2311513

審核編輯：劉清