基于悬浮光力学的惯性传感颠覆性技术

胡慧珠 ,  尹璋琦 ,  李楠 ,  车双良 ,  舒晓武 ,  刘承

中国工程科学 ›› 2018, Vol. 20 ›› Issue (6) : 112 -116.

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中国工程科学 ›› 2018, Vol. 20 ›› Issue (6) : 112 -116. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2018.06.018
专题研究

基于悬浮光力学的惯性传感颠覆性技术

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Inertial Sensing Disruptive Technology Based on Levitated Optomechanics

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摘要

悬浮光力学是光力学与量子光学结合的产物，为微纳机械振子的控制和测量提供了一种全新的量子方法，这种方法具有前所未有的观测精度，可接近甚至突破标准量子极限，具有广阔的发展和应用前景。目前国际上已在室温下利用此系统实现了力、力矩、位移、加速度等多个物理量的极高灵敏度测量。本文综述了悬浮光力学的研究现状及国内外在精密传感与测量方面的进展。作为近年来发展起来的一种前沿技术，悬浮光力学已逐渐从基础研究走向应用，特别是对惯性传感与精密测量领域有重要的应用前景。最后提出了发展基于悬浮光力学的惯性传感颠覆性技术的建议，为我国惯性传感与量子精密测量技术发展规划的制定提供参考。

Abstract

Levitated optomechanics is the combination of optomechanics and quantum optics. It provides a new quantum method to control and measure micro-nano mechanical oscillator. This method has unprecedented observation accuracy, can approach or even break the standard quantum limit, and has broad development and application prospects. At present, the system has been used to measure the force, torque, displacement, acceleration and other physical parameters with high sensitivity at room temperature. In this paper, the research status of levitated optomechanics and its progress in precision sensing and measurement are reviewed. As a frontier technology developed in recent years, levitated optomechanics has gradually moved from basic research to application, especially in the field of inertial sensing and precision measurement. Finally, suggestions for developing the inertial sensing disruptive technology based on levitated optomechanics are put forward, which can provide reference for the development planning of inertial sensing and quantum precision measurement technology.

关键词

光力学 / 精密测量 / 惯性传感 / 颠覆性技术

Key words

光力学 / 精密测量 / 惯性传感 / 颠覆性技术 / optomechanics / precision measurement / inertial sensing / disruptive technology

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胡慧珠,尹璋琦,李楠,车双良,舒晓武,刘承. 基于悬浮光力学的惯性传感颠覆性技术[J]. 中国工程科学, 2018, 20(6): 112-116 DOI:10.15302/J-SSCAE-2018.06.018

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一、前言

光力学是过去十余年光学与量子物理领域非常热门的研究方向。研究光力学的动机主要有两个方面，一方面，光与微纳米力学振子耦合起来，可以灵敏地读出力学振子运动状态，从而实现对微小的力、位移、质量等物理量的高精度的测量，具有前所未有的观测精度，并可接近甚至突破标准量子极限；另一方面，光又可以冷却和操控力学振子的运动，直到它达到量子区域，制备力学振子的宏观量子叠加态，从实验上探索经典物理与量子物理的边界。

人们公认，“薛定谔的猫”是最著名的宏观量子叠加态悖论，如图 1 所示。自从 1935 年薛定谔提出“薛定谔猫佯谬”之后，物理学家一直在寻找处于“薛定谔猫”态的宏观物体。虽然不可能一步到位地找到处于生与死叠加态的宏观量子系统，但人们已在电子、原子、小分子中看到“薛定谔猫”态。直到最近几年人们才在含有几百个原子的复杂大分子中找到了“薛定谔猫”态存在的证据。

图 3 制备质心位置的“薛定谔猫”态

注：a 为光学腔模式； 为纳米金刚石质心运动模式； 为质心运动频率； 为驱动微波场的拉比频率 。

在这些理论方案的启发下，最近几年有多个研究组在开展悬浮纳米金刚石色心的实验。纳米金刚石已经可以被悬浮在真空中，并观察到色心的电子自旋共振谱 [11]。还有实验组把掺杂了稀土元素离子的纳米晶体光悬浮在真空中，然后通过激光照射稀土离子，利用其与晶体内部声子的耦合，把纳米晶体内部的温度从室温冷却到 100 K 以下 [12]。

为了制备出更加稳定的宏观量子叠加态，进而完成长时间的物质波干涉实验，欧洲的 50 多位科学家联合起来，组成了 MAQRO 项目组 [13]，提出利用欧洲航天局预计于2025年发射的航空器，到拉格朗日点（日地引力平衡点）开展光悬浮纳米粒子的物质波干涉实验，有望验证引力导致的波函数塌缩等量子引力效应。如图 4 所示，由于拉格朗日点的引力近乎为零，且宇宙中的真空度很高，是理想的实验环境，所以物质波干涉可以持续很长时间。

图 4 发射卫星到拉格朗日点上开展物质波干涉实验

从光悬浮微纳米粒子直接测量了布朗运动瞬时速度，进而验证麦克斯韦速度分布律开始，悬浮光力学系统就被广泛地用于验证热力学与统计物理，特别是非平衡态统计物理理论。由于光悬浮的粒子尺度在纳米级别，因此它可以用来实现纳米尺度的局域温度测量 [14]。最近，普渡大学与北京大学的研究人员合作，基于此系统做了一系列实验，验证了非平衡统计物理的微分涨落定理和推广了的Jarzynski 恒等式 [15]，并实现费曼棘轮实验 [16]。

三、迈向量子精密测量

作为光力学系统，光悬浮的微纳米粒子在精密传感与测量方面可达到极高的精度。美国研究人员已经在室温下利用此系统实现 10–21  N 精度 [17] 的力的精密测量。这意味着此系统可以实现对单个分子质量的精密测量，并对微小的力，如卡什米尔（Casimir）力和力矩进行精密测量 [18]。悬浮光力学系统对加速度的测量灵敏度已经达到 10–9 g（g 为重力加速度）量级 [19]，测量稳定性达到 10–6 g 量级，并且实现了超过 1 个月的长时间工作，部分实用化关键技术也取得了突破 [20~23]，这对于长时间自主精密导航技术具有重要的应用价值。

与通常的光力学系统不同，光悬浮系统的囚禁频率完全可调，而且其 6 个运动自由度均可与光耦合、被冷却、调控和精准的测量。因此，它可以同时提取多个自由度的运动信息。普渡大学与清华大学合作在实验上首次观测到了光悬浮纳米金刚石的扭动模式 [24]，此系统在室温下对扭矩的测量精度有望达到 10–29  N·m，可用于直接测量单个电子乃至单个核自旋在通常磁场（如 0.1T）下产生的扭矩。2018 年，多个研究机构在此系统中实现了 1 GHz的机械转子 [25]，是目前转速最快的固态转子，有望用于实现新型的量子陀螺仪。

随着实验技术的发展，研究人员正接近实现对悬浮光力学系统的量子基态冷却，以及量子叠加态的制备。因此，基于量子效应的精密测量技术也有望与悬浮光力学系统结合发展出比冷原子干涉精度更高的测量技术。比如说，基于物质波干涉，利用类似原子干涉仪的技术，有望实现高精度的重力仪 [26]。由于纳米粒子的物质波波长远小于冷原子干涉仪，可更精准地测出重力导致的相位移动，进而使重力仪实现更加精确的测量。

四、面向惯性导航与传感探测的颠覆性技术

惯性传感技术经历了几百年的发展，目前进入实用阶段的是机电式仪表和光学式仪表。近年来，量子技术的理论和实践取得了突飞猛进的发展，特别是量子信息技术为信息科学的发展开创了新的空间，其在惯性传感等技术领域展现出广阔的应用前景，已成为世界强国竞相发展的前沿技术。进而发展出第三类惯性传感技术 —— 量子式。

量子式惯性传感技术的特点是理论精度高，目前国内外开展较多研究的有两种：一是基于冷原子干涉原理，以冷原子重力仪、冷原子陀螺仪、冷原子加速度计为代表；另一种是基于热原子自旋原理，以核磁共振陀螺、无自旋交换弛豫（SERF）陀螺为代表。

近年来得到迅速发展的悬浮光力学是光力学与量子光学结合的产物，为微纳机械振子的控制和测量提供了一种全新的量子方法，也为量子操控的深入探索提供了理想平台。这种方法具有前所未有的观测精度，可接近甚至突破标准量子极限，在惯性与传感技术领域具有广阔的发展和应用前景，有望形成区别于现有的冷原子干涉和热原子自旋的第三条量子惯性传感技术路线。

基于悬浮光力学的量子惯性传感技术的特点如下：

（1）固态敏感介质。敏感介质为稳定悬浮的微纳固态介质，可实现连续、实时和高动态测量。

（2）超灵敏。光悬浮微纳固态介质的机械品质因数可达 1010 以上，其质心热运动等效温度可冷却至毫开以下，因此其理论灵敏度远超经典固态惯性敏感器件。

（3）高分辨率。分辨率极限为光子的动量反冲。如利用光悬浮 10 μm 直径的石英球进行加速度传感，其单光子动量反冲为 10–17 g。

（4）高稳定性。采用真空激光悬浮的微纳固态介质，可完全避免机械支撑导致的应力时间效应这一固态传感器件的稳定性核心问题。

（5）大量程。其传感测量的量程取决于光子动量闭环控制能力。如利用光悬浮 10 μm 直径的石英球进行加速度传感，在闭环控制光功率 100 mW 的情况下，其量程可达 10g 以上。

另外，基于悬浮光力学系统将微纳机械振子制备到量子区域，有望实现固态物质波干涉，将惯性传感技术从光学干涉（光学陀螺）、原子干涉（冷原子重力仪、冷原子陀螺）推进到固态物质波干涉的阶段，对传感和精密测量领域将产生革命性的影响。

五、结语

作为近年来发展起来的一种前沿技术，悬浮光力学已逐渐从基础研究走向应用，特别是对惯性传感和精密测量领域有重要的应用前景。美欧发达国家大力投入，推进研究。作为我国惯性传感技术领域探索性、创新性基础研究和前沿技术研究的重点机构，浙江大学光学惯性与传感技术国防重点学科实验室愿与国内外同行共同努力，抓住机遇，大力发展悬浮光力学及其在惯性传感领域的应用研究，为推动我国惯性传感技术从机电、光学到量子的代际跨越贡献力量。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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基金资助

中国工程院咨询项目“工程科技颠覆性技术战略研究”(2017-ZD-10)；教育部联合基金(6141A02011604)；中央高校基本科研业务费专项资金(2016XZZX00401)()

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