光量子|90后科学家回国创业，开发光量子极限传感器，性能提升数万倍创业|万倍|极限|性能|光量子

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。

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“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”。

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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。

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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，我们组在 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。”