Гироскопы на принципах квантовой оптики
EDN: UATXCO
Аннотация
Предлагаемая вниманию читателей обзорная статья посвящена физическим принципам функционирования гироскопических устройств, основанных на принципах квантовой оптики, а именно – гироскопов на ядерном магнитном резонансе, в которых используется прецессия ядерных спинов, и гироскопов на волнах де Бройля – атомных интерферометров на охлажденных лазерным излучением атомах. Обсуждаются актуальные зарубежные публикации, касающиеся данной тематики.
Об авторе
А. К. Вершовский
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН (С.-Петербург).
Россия
Россия
Вершовский Антон Константинович. Член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник.
Список литературы
1. Kastler, A., Quelques suggestions concernant la production optique et la détection optique d’une inégalité de population des niveaux de quantifigation spatiale des atomes. Application à l’expérience de Stern et Gerlach et à la résonance magnétique, J. Phys. Radium, 1950, vol. 11, no. 6, pp. 255–265, doi:10.1051/ jphysrad:01950001106025500.
2. Bitter, F., The optical detection of radiofrequency resonance, Physical Review. APS, 1949, vol. 76, no. 6, p. 833.
3. Allan, D.W., Ashby, N., Hodge, C.C., The Science of Timekeeping, Hewlett Packard, 1997.
4. Вершовский А.К., Литманович Ю.А., Пазгалев А.С., Пешехонов В.Г. Гироскоп на ядерном магнитном резонансе: предельные характеристики // Гироскопия и навигация. 2018. Т. 26, №1. С. 55–80. DOI:10.17285/0869-7035.2018.26.1.055-080.
5. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия: общие вопросы спектроскопии. Москва, 2012. 240 с. https://urss.ru/cgi-bin/db.pl?lang=Ru&blang=ru&page=Book&id=734.
6. Happer, W., Optical Pumping, Rev. Mod. Phys., 1972, vol. 44, no. 2, pp. 169–249, doi:10.1103/Rev- ModPhys.44.169.
7. Померанцев Н.М., Рыжков В.М., Скроцкий Г.В. Физические основы квантовой магнитометрии. Москва: Наука, 1972.
8. Aleksandrov, E.B., Vershovskii, A.K., Modern radio-optical methods in quantum magnetometry, Physics- Uspekhi, 2009, vol. 52, no. 6, pp. 573–601, doi:10.3367/UFNe.0179.200906f.0605.
9. Happer, W., Miron, E., Schaefer, S., Schreiber, D., van Wijngaarden, W.A., Zeng, X., Polarization of the nuclear spins of noble-gas atoms by spin exchange with optically pumped alkali-metal atoms, Phys. Rev. A., 1984, vol. 29, no. 6, pp. 3092–3110, doi:10.1103/PhysRevA.29.3092.
10. Savage, P.G., Strapdown Inertial Navigation Integration Algorithm Design, AIAA, 2000.
11. Walker, T.G., Larsen, M.S., Spin-Exchange-Pumped NMR Gyros, Advances in Atomic, Molecular, and Optical Physics, 2016, vol. 65, pp. 373–402, doi:10.1016/bs.aamop.2016.04.002.
12. Sorensen, S.S., Thrasher, D.A., Walker, T.G., A Synchronous Spin-Exchange Optically Pumped NMR-Gyroscope: 20, Applied Sciences, 2020, vol. 10, no. 20, p. 7099, doi:10.3390/app10207099.
13. Petrov, V.I., Pazgalev, A.S., Vershovskii, A.K., Isotope shift of nuclear magnetic resonances in 129Xe and 131Xe caused by spin-exchange pumping by alkali metal atoms, IEEE Sensors Journal, 2019, p. 1–1, doi:10.1109/JSEN.2019.2945002.
14. Vershovskii, A.K., Petrov, V.I., Modeling of the Dimensional Dependence of NMR Isotope Shift in Xenon, Gyroscopy and Navigation, 2020, vol. 11, no. 3, pp. 198–205, doi:10.1134/S2075108720030086.
15. Petrov, V.I., Vershovskii, A.K., The Isotope Shift Suppression in NMR-based Balanced Quantum Rotation Sensor, Gyroscopy and Navigation, 2022, vol. 13, no. 2, pp. 82–87, doi:10.1134/S2075108722020079.
16. Grundmann, M., Kramers-kronig relations. The physics of semiconductors: an introduction including nanophysics and applications, Springer, 2010, pp. 775–776.
17. Александров Е.Б. Квантовые биения резонансной люминесценции при возбуждении модулированным светом // Оптика и спектроскопия. 1963. Т. 14. № 3. С. 436–438.
18. Соколов Ю.Л. Интерференция 2P1/2-состояния атома водорода // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1972. Т. 63. С. 461–466.
19. Keith, D.W., Ekstrom, C.R., Turchette, Q.A., Pritchard, D.E., An interferometer for atoms, Physical Review Letters, 1991, vol. 66, no. 21, pp. 2693–2696, doi:10.1103/PhysRevLett.66.2693.
20. Phillips, W.D., Laser cooling and trapping of neutral atoms, Reviews of Modern Physics, 1998, vol. 70, no. 3, pp. 721–741, doi:10.1103/RevModPhys.70.721.
21. Wieman, C.E., Pritchard, D.E., Wineland, D.J., Atom cooling, trapping, and quantum manipulation, Reviews of Modern Physics, 1999, vol. 71, no. 2, pp. S253–S262, doi:10.1103/RevModPhys.71.S253.
22. Балыкин В.И., Летохов В.С., Миногин В.Г. Охлаждение атомов давлением лазерного излучения // Успехи физических наук. 1985. Т. 147. № 1. С. 117–156.
23. Cornell, E.A., Wieman, C.E., Nobel Lecture: Bose-Einstein condensation in a dilute gas, the first 70 years and some recent experiments, Reviews of Modern Physics. APS, 2002, vol. 74, no. 3, p. 875.
24. Bordé, C.J., Atomic interferometry with internal state labelling, Physics Letters A, 1989, vol. 140, no. 1–2, pp. 10–12, doi:10.1016/0375-9601(89)90537-9.
25. Canuel, B., Leduc, F., Holleville, D., Gauguet, A., Fils, J., Virdis, A., Clairon, A., Dimarcq, N., Bordé, Ch.J., Landragin, A., Bouyer, P., Six-Axis Inertial Sensor Using Cold-Atom Interferometry, Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 2006, vol. 97, no. 1, p. 010402, doi:10.1103/PhysRev- Lett.97.010402.
26. Geiger, R., Ménoret, V., Stern, G., Zahzam, N., Cheinet, P., Battelier, B., Villing, A., Moron, F., Lours, M., Bidel, Y., Bresson, A., Landragin, A., Bouyer, P., Detecting inertial effects with airborne matter-wave interferometry, Nature Communications, 2011, vol. 2, no. 1, p. 474, doi:10.1038/ncomms1479.
27. Müller, T., Gilowski, M., Zaiser, M., Berg, P., Schubert, Ch., Wendrich, T., Ertmer, W., Rasel, E.M., A compact dual atom interferometer gyroscope based on laser-cooled rubidium, The European Physical Journal D, 2009, vol. 53, no. 3, pp. 273–281, doi:10.1140/epjd/e2009-00139-0.
28. Dickerson, S.M., Hogan, J.M., Sugarbaker, A., Johnson, D.M.S., Kasevich, M.A., Multiaxis Inertial Sensing with Long-Time Point Source Atom Interferometry, Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 2013, vol. 111, no. 8, p. 083001, doi:10.1103/PhysRevLett.111.083001.
29. Savoie, D., Altorio, M., Fang, B., Sidorenkov, L., Geiger, R., Landragin, A., Interleaved atom interferometry for high-sensitivity inertial measurements, Science advances. American Association for the Advancement of Science, 2018, vol. 4, no. 12, p. eaau7948.
30. Chen, Y.-J., Hansen, A., Hoth, G.W., Ivanov, E., Pelle, B., Kitching, J., Donley, E.A., Single-Source Multiaxis Cold-Atom Interferometer in a Centimeter-Scale Cell, Phys. Rev. Appl. American Physical Society, 2019, vol. 12, no. 1, p. 014019, doi:10.1103/PhysRevApplied.12.014019.
31. Mcgilligan, J.P., Moore, K.R., Dellis, A., Martinez, G., de Clercq, E., Griffin, P., Arnold, A., Riis, E., Boudot, R., Kitching, J., Laser cooling in a chip-scale platform, Applied Physics Letters, AIP Publishing, 2020, vol. 117, no. 5.
32. Moan, E.R., Horne, R.A., Arpornthip, T., Luo, Z., Fallon, A.J., Berl, S.J., Sackett, C.A., Quantum Rotation Sensing with Dual Sagnac Interferometers in an Atom-Optical Waveguide, Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 2020, vol. 124, no. 12, p. 120403, doi:10.1103/PhysRevLett.124.120403.
33. Lee, J.G. et all., A Low-Power Evanescent Field Atom Guide Based on Nanofiber Testbeds for Chip- Scale Quantum Inertial Sensors, Physical Review Applied, 2023, vol. 20, p. 034056, doi:10.1103/Phys- RevApplied.20.034056.
34. Kraft, L.A., Haskins, Z.R., Hutson, A.D., Prajapati, Y., Anderson, D.A., Kornack, T.W., Clark, B.J., Phase modulation detection of a strontium atom interferometer gyroscope, Physical Review A, 2025, vol. 111, no. 5, p. 053302, doi:10.1103/PhysRevA.111.053302.
35. Sun, C., Lu, S.-B., Jiang, M., Yao, Z.-W., Li, S.-K., Zhan, M.-S., Highly stable modular-assembled laser system for a dual-atom-interferometer gyroscope, Optics Express, 2024, vol. 32, no. 15, pp. 26789–26804, doi:10.1364/OE.528345.
36. Osipenko, G.V., Aleynikov, M.S., Pashkova, J.V., Donchenko, S.I., Laser optical system of a rubidium cold-atom interferometer, Measurement Techniques, 2025, vol. 68, no. 1, pp. 26–32, doi:10.1007/ s11018-025-02421-6.
37. Капуста Д.Н., Бонерт А.Э., Гончаровa А.Н., Адамов К.Н., Прудников О.Н., Тайченачев А.В. Интерференция ультрахолодных атомов 87 Rb в квантовом гравиметре // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2025. Т. 168. № 7. С. 47–66.
38. Афанасьев А.Е., Скакуненко П.И., Быкова Д.В., Калмыков А.С., Балыкин В.И. Атомный чип // Успехи физических наук. 2024. Т. 194. № 11. С. 1146–1158.
39. Cox, K.C., Greve, G.P., Wu, B., Thompson, J.K., Spatially homogeneous entanglement for matter- wave interferometry created with time-averaged measurements, Physical Review A. American Physical Society (APS), 2016, vol. 94, no. 6, doi:10.1103/physreva.94.061601.
40. Kirsten-Siemß, J.-N., Fitzek, F., Schubert, C., Rasel, E.M., Gaaloul, N., Hammerer, K., Large-Momentum- Transfer Atom Interferometers with mu-rad-Accuracy Using Bragg Diffraction, Physical Review Letters. American Physical Society (APS), 2023, vol. 131, no. 3, doi:10.1103/physrevlett.131.033602.
41. Becker, D., Lachmann, M.D., Seidel, S.T., Ahlers, H., et all., Space-borne Bose-Einstein condensation for precision interferometry, arXiv preprint, 2018, https://arXiv.org/abs/1806.06679.
42. Berg, P., Abend, S., Tackmann, G., Schubert, C., Giese, E., Schleich, W.P., Narducci, F.A., Ertmer, W., Rasel, E.M., Composite-Light-Pulse Technique for High-Precision Atom Interferometry, Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 2015, vol. 114, no. 6, p. 063002, doi:10.1103/PhysRevLett.114.063002.
43. Helm, J.L., Billam, T.P., Rakonjac, A., Cornish, S.L., Gardiner, S.A., Spin-Orbit-Coupled Interferometry with Ring-Trapped Bose-Einstein Condensates, Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 2018, vol. 120, no. 6, p. 063201, doi:10.1103/PhysRevLett.120.063201.
44. Nemirovsky, J., Weill, R., Meltzer, I., Sagi, Y., Atomic interferometer based on optical tweezers, Phys. Rev. Res. American Physical Society, 2023, vol. 5, no. 4, p. 043300, doi:10.1103/PhysRevResearch.5.043300.
45. Barrett, B., Antoni-Micollier, L., Chichet, L., Battelier, B., Lévèque, T., Landragin, A., Bouyer, P., Dual matter-wave inertial sensors in weightlessness, Nature Communications, 2016, vol. 7, no. 1, p. 13786, doi:10.1038/ncomms13786.
46. Frye, K., Abend, S., Bartosch, W. et al., The Bose-Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory, EPJ Quantum Technol., 2021, vol. 8, article no. 1, doi 10.1140/epjqt/s40507-020-00090-8.
47. Lautier, J., Merlet, S., Léonard, J., Landragin, A., Chaibi, W., Pereira Dos Santos, F., Hybridizing matter-wave and classical accelerometers, Applied Physics Letters, 2014, vol. 105, no. 14, p. 144102, doi:10.1063/1.4897358.
48. Greve, G.P., Luo, C., Wu, B., and Thompson, J.K., Entanglement-enhanced matter-wave interferometry in a high-finesse cavity, Nature, 2022, vol. 610, p. 472–477, doi 10.1038/s41586-022-05197-9.
Рецензия
Для цитирования:
Вершовский А.К. Гироскопы на принципах квантовой оптики. Гироскопия и навигация. 2026;34(2):97-127. EDN: UATXCO
For citation:
Vershovskii A.K. Gyroscopes Based on Quantum Optics. Giroskopiya i Navigatsiya / Gyroscopy and Navigation. 2026;34(2):97-127. (In Russ.) EDN: UATXCO
Просмотров:
149
JATS XML
Послать статью по эл. почте 