近二十年来，随着硅微机械加工技术的飞速发展，微机电系统（MEMS）传感器得到了广泛应用。一个典型的产品就是 IMU（inertial measurement unit，即惯性测量单元），它可以捕获一个物体的加速度信号和相对于导航坐标系的角速度信号，由此便可解算出物体的运动姿态。
因此，IMU 也常和 GPS 联合使用，当机器处于城市楼宇中、商场内、地下车库等 GPS 信号失效的环境时，IMU 就可以发挥辅助作用，获得相对位置信息帮忙导航，在如今的智能手机、汽车、自动驾驶设备、无人机以及可穿戴电子、游戏设备等产品中，这种元器件几乎不可或缺，在军事装备、航空航天等领域也有至关重要的作用。
从消费级到航天级等不同精度性能的 IMU 产品，价格区间能从几美元到十几万美元不等，但核心追求的都是更高的灵敏度和测量精度。
现在，新型光量子极限惯性传感器的诞生，有望用极低的成本实现优于现有 IMU 数万倍的性能，同时可以更好地控制噪声干扰和信号解释，进而给终端应用带来新一轮变革。
“我们现在做的硅基芯片光量子极限传感器及其背后积淀的基础物理原理研究，算是全世界最好的，不加之一。” 青年科学家罗杰非常自信地对 DeepTech 说道。
罗杰今年 29 岁，曾在香港大学取得数学与物理学双专业学士，后在加州理工学院应用物理读完博士、在劳伦斯伯克利国家实验室做博士后研究员从事量子计算芯片开发。现在，他正和自己的老同学任恒江搭档，试图将这项传感器研究成果从实验室推广到商业化市场。
把引力波天文台技术概念，缩小到芯片上
2010 年，罗杰通过国内高考被香港大学录取，因为从小喜欢物理，在大学期间依然选择了物理专业，尤其对基础物理研究比较感兴趣，同时兼修了数学专业，最终获得双专业学位。
2013 年本科生阶段，他作为交换生去加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）学习，期间，恰逢行业中一件重磅大事件，UCSB 的知名物理学家约翰马蒂尼斯（John Martinis）教授被 Google 高薪聘用，帮助谷歌 Quantum AI Lab 展开在量子计算机和量子科技应用方面的相关研究。
“那一年对我影响还是比较大的，我意识到的一点就是我最喜欢的物理、数学，包括量子计算等基础科学研究，是能够跟产品应用结合起来的，这对我很有吸引力。” 之后，罗杰的科研重点便逐渐从基础物理开始转向了应用物理。
在加州理工学院攻读应用物理量子工程博士期间，罗杰结识了任恒江，两人是在同一届进了同一个科研组，之后一起工作了近 5 年时间。任恒江先后在加州理工学院取得电子工程博士学位，并从事应用物理博士后研究工作，深入研究在硅芯片上利用光 - 机械耦合处理量子信息。
他们所在的研究组重点研究领域之一是硅基芯片上做光 - 机耦合。2012 年，该研究组的应用物理学教授奥斯卡彭特（Oskar Painter）及其团队在《自然光子学》（Nature Photonics）论文中描述了一种新颖的基于光 - 机械耦合与激光干涉的加速度测量原理，这种高分辨率微芯片光机械加速度计不是使用电路来测量运动，而是使用激光，尽管设备尺寸很小，但它对运动的测量极其敏锐和精准，被誉为 “下一代微传感器”。
图｜发表于 2012 年的关于新一代微传感器的研究论文（来源：Nature Photonics）
这类技术最高端的应用之一，是由美国国家科学基金会（NSF）资助的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）项目，该设施由加州理工学院和麻省理工学院的顶尖物理学家共同领导创建。
激光干涉仪的灵敏度极高，长达 4 千米的干涉臂长度发生任何变化（小至质子的电荷直径的万分之一的相对运动），都能够被精确记录察觉。正因为对 LIGO 探测器及引力波探测的决定性贡献，麻省理工学院莱纳魏斯（Rainer Weiss）教授与加州理工学院的基普斯蒂芬索恩（Kip Stephen Thorne）、巴里巴里什（Barry C. Barish）一道，共同荣获 2017 年的诺贝尔物理学奖。
图｜LIGO 探测器（来源：维基百科）
无疑，激光是测量位置变化的最灵敏的方法之一，其固有噪声干扰小，受光本身的量子特性加持，使得检测细微运动变得更加容易。
罗杰表示，“把这种大型光学干涉仪的概念缩小到纳米级的芯片上，我们早在 2012 年就已经完成了技术验证，现在的关键是如何将其推向产品化。通俗来讲，这种传感器是利用激光干涉的原理，将机械的位移转化成光的相位变化，然后通过用光干涉测相位变化，我们就能很精确地获得位移信息，然后就可以反算出加速度了。”
虽然不及 LIGO 天文台的那种超高级别的精度，但这种光量子惯性传感器的精度也能达到飞米级的分辨率，飞米通常用来描述原子级别的尺寸，1 飞米相当于 10-15 米。而且，在实现这种超高精度的同时，它用较低的成本，即可实现传统惯性传感器难以比拟的性能。
光量子惯性传感器的工作原理
罗杰打比方说，传统的微机电惯性传感器系统内部可以看作是一个微观的 “弹簧秤”，它能基于牛顿第二定律去测定数据，通过测惯性力的方式去测加速度，也可以通过其他的设计，“弹簧秤” 去测其他种类的力的效应。
但绝大多数智能手机、手表里的 “弹簧秤”，都是通过电容来测位移，电容在室温下有一个问题就是有比较大的电子噪音，这是一种客观物理现象，基本无法克服它。当这类传感器被放进一个复杂的电磁环境中时，电容测绘的方式很容易被环境的电子噪音所干扰，所以你就会发现很难测得精准的位移数据，而且在内部的 “Proof-Mass 质量块” 给定的情况下，越微小的加速度越难测到。
这就是我们在手机或者说一些可穿戴设备体验中，经常感觉运动数据测不准、测不到的根本原因所在。
图｜光量子惯性传感器的原理示意图
业内的解决方案之一是逐渐增加 “ 质量块” 的大小，增加它的质量，让它晃动时的位移幅度变大，但随之而来的是系统需要做得越来越复杂，进而导致传感器的成本越来越贵，从实用性角度来说，就不是很容易持续扩展应用，位移数据的确精准了，但可用带宽也随 “质量块” 的增加而变小，价格也增长得很快。
目前市场上的惯性力传感器主要分为三大类：激光陀螺仪、压电式加速度计、以及 MEMS 微机电惯性测量组件。前两类惯性力传感器精度较高，但是受限于技术原因，其尺寸偏大，功能单一，同时生产成本高昂，限制了其在民用市场中的应用。
而微机电惯性测量组件拥有尺寸小、功耗低、成本低的优势，但是其精度、测量范围和频宽都无法满足未来更细致的应用需求。
图｜IMU 传感器产品的市场瓶颈
这种新型的光量子惯性传感器，在芯片设计部分运用了一个经典的光 - 机械耦合系统，该系统是一个光腔，光腔的一端固定，另一端也是通过 MEMS 结构悬浮，终端位移产生一丁点微小变化就可以改变光腔内的光学共振频率，让光腔里面的光子发生相位的偏移，通过读取这些微小的位移数据，获得更灵敏、更精确的加速度或角速度，理论上可实现比现有 MEMS 传感器数万倍的性能（测量精度与有效测量带宽等）。
“现在的消费级 MEMS 传感器只能帮你记个步而已，但如果把测量精度指数级提高，就可以帮你勾勒出整个肢体的细微运动方式。” 罗杰说道。
值得关注的是，在生产工艺方面，罗杰表示这种新型的光量子惯性传感器无需引入新的材料，仍然是基于硅基的设计，保留了硅基 MEMS 和硅基光电芯片的材料统一性和制作工艺的兼容性，所以成本可以保持非常低的水平，采用成熟的 90 纳米 CMOS 工艺即可大规模生产，性价比会有几何指数的变革。
把实验室成果商业化
现阶段，罗杰和任恒江已经注册了一家名为 Anyon Computing 的公司，两人分别担任公司的 CEO 和 CTO，他们计划在未来 5 年内，推动产品的商业化量产。罗杰透露，目前正在跟多家投资机构洽谈第一轮 500 万美金的融资，来完成团队人才的扩充，推动商业订单的生产。
超高性能的光量子惯性传感器能给终端应用带来哪些改善？罗杰认为，市场想象空间巨大。
比如 VR、AR 类产品，现在市面上能买到的消费级设备普遍都有这些问题：你想做的运动或者当动作过快时，它们无法跟踪上，此外测量精确度很差，难以跟踪你的准确运动方式，因此很多附属解决方案都涉及增加摄像头、部署红外传感器等，在某个指定区域里综合判断定位问题，这样的体验不仅过于局限，而且需要比较大的计算量，这也是为什么很多设备仍需要连接到主机进行计算，如果惯性传感器能提供足够高的精准度，那么单凭这种传感器就能测出人的位移，大幅提升终端体验。
同样原理，光量子惯性传感器能实现更低成本的室内复杂环境下的高精度导航。典型的应用场景比如在商场中，手机上的 GPS 信号基本上就没用了，购物路线很难达到商业效率最大化，很多解决方案需要在商场内部署很多外源的信号发生器，单纯的基建布置成本就不低，而高精度的惯性导航能力可以轻松克服这类障碍。
此外，光量子惯性传感器也能让自动驾驶技术更上一层楼。自动驾驶的计算主机很依赖于多种传感器来提供精确的外在数据，然后通过多传感器数据融合算法，把相机、LIDAR、RADAR、GPS 以及 IMU 的信号融合在一起进行互相的修正。
很多外源信号容易受到环境的干扰，比如说天气条件、光照条件、楼宇建筑遮挡 GPS 信号等，高精度的 IMU 则不依赖任何外界的输入信号，在其他传感器受到干扰或失效的情况下，仍可保障车辆的位置和姿态控制精度，提高整个系统的可靠性，但就目前而言，IMU 传感器仍是高级别自动驾驶技术中的一大短板。而光量子惯性传感器可以兼顾性能和成本控制，延伸可以应用到无人机、机器人等领域。
另外，光量子惯性传感器在地震监测、机械震动检测维护、影视制作中的姿态捕捉和监测等方向都有用武之地。
“理论上来说，所有通过电容去测量位移的 MEMS 传感器，如果对精度有更高需求的话，都可以改成用光来测。” 罗杰表示，在接下来的研发中，考虑到实际应用需要，团队还需把核心部分之外的电路和光路设计完善起来，然后封装成一个完整的产品。
而这个产品应用底层的量子光电信号转换基础技术，是当前构建量子互联网的一大热门研究方向，也是团队更长线的发展目标。
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