近二十年來，隨著硅微機械加工技術(shù)的飛速發(fā)展，微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器得到了廣泛應(yīng)用。一個典型的產(chǎn)品就是 IMU（inertial measurement unit，即慣性測量單元），它可以捕獲一個物體的加速度信號和相對于導(dǎo)航坐標系的角速度信號，由此便可解算出物體的運動姿態(tài)。

因此，IMU 也常和 GPS 聯(lián)合使用，當(dāng)機器處于城市樓宇中、商場內(nèi)、地下車庫等 GPS 信號失效的環(huán)境時，IMU 就可以發(fā)揮輔助作用，獲得相對位置信息幫忙導(dǎo)航，在如今的智能手機、汽車、自動駕駛設(shè)備、無人機以及可穿戴電子、游戲設(shè)備等產(chǎn)品中，這種元器件幾乎不可或缺，在諸多工業(yè)領(lǐng)域也有至關(guān)重要的作用。

從消費級到航天級等不同精度性能的 IMU 產(chǎn)品，價格區(qū)間能從幾美元到十幾萬美元不等，但核心追求的都是更高的靈敏度和測量精度。

現(xiàn)在，新型光量子極限慣性傳感器的誕生，有望用極低的成本實現(xiàn)優(yōu)于現(xiàn)有 IMU 數(shù)萬倍的性能，同時可以更好地控制噪聲干擾和信號解釋，進而給終端應(yīng)用帶來新一輪變革。

“我們現(xiàn)在做的硅基芯片光量子極限傳感器及其背后積淀的基礎(chǔ)物理原理研究，算是全世界最好的，不加之一。” 青年科學(xué)家羅杰非常自信地對 DeepTech 說道。

羅杰今年 29 歲，曾在香港大學(xué)取得數(shù)學(xué)與物理學(xué)雙專業(yè)學(xué)士，后在加州理工學(xué)院應(yīng)用物理讀完博士、在勞倫斯伯克利國家實驗室做博士后研究員從事量子計算芯片開發(fā)。現(xiàn)在，他正和自己的老同學(xué)任恒江搭檔，試圖將這項傳感器研究成果從實驗室推廣到商業(yè)化市場。

把引力波天文臺技術(shù)概念，縮小到芯片上

2010 年，羅杰通過國內(nèi)高考被香港大學(xué)錄取，因為從小喜歡物理，在大學(xué)期間依然選擇了物理專業(yè)，尤其對基礎(chǔ)物理研究比較感興趣，同時兼修了數(shù)學(xué)專業(yè)，最終獲得雙專業(yè)學(xué)位。

2013 年本科生階段，他作為交換生去加州大學(xué)圣巴巴拉分校（UCSB）學(xué)習(xí)，期間，恰逢行業(yè)中一件重磅大事件，UCSB 的知名物理學(xué)家約翰?馬蒂尼斯（John Martinis）教授被 Google 高薪聘用，幫助谷歌 Quantum AI Lab 展開在量子計算機和量子科技應(yīng)用方面的相關(guān)研究。

“那一年對我影響還是比較大的，我意識到的一點就是我最喜歡的物理、數(shù)學(xué)，包括量子計算等基礎(chǔ)科學(xué)研究，是能夠跟產(chǎn)品應(yīng)用結(jié)合起來的，這對我很有吸引力。” 之后，羅杰的科研重點便逐漸從基礎(chǔ)物理開始轉(zhuǎn)向了應(yīng)用物理。

在加州理工學(xué)院攻讀應(yīng)用物理量子工程博士期間，羅杰結(jié)識了任恒江，兩人是在同一屆進了同一個科研組，之后一起工作了近 5 年時間。任恒江先后在加州理工學(xué)院取得電子工程博士學(xué)位，并從事應(yīng)用物理博士后研究工作，深入研究在硅芯片上利用光 - 機械耦合處理量子信息。

他們所在的研究組重點研究領(lǐng)域之一是硅基芯片上做光 - 機耦合。2012 年，該研究組的應(yīng)用物理學(xué)教授奧斯卡?彭特（Oskar Painter）及其團隊在《自然光子學(xué)》（Nature Photonics）論文中描述了一種新穎的基于光 - 機械耦合與激光干涉的加速度測量原理，這種高分辨率微芯片光機械加速度計不是使用電路來測量運動，而是使用激光，盡管設(shè)備尺寸很小，但它對運動的測量極其敏銳和精準，被譽為 “下一代微傳感器”。

圖｜發(fā)表于 2012 年的關(guān)于新一代微傳感器的研究論文（來源：Nature Photonics）

這類技術(shù)最高端的應(yīng)用之一，是由美國國家科學(xué)基金會（NSF）資助的激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）項目，該設(shè)施由加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院的頂尖物理學(xué)家共同領(lǐng)導(dǎo)創(chuàng)建。

激光干涉儀的靈敏度極高，長達 4 千米的干涉臂長度發(fā)生任何變化（小至質(zhì)子的電荷直徑的萬分之一的相對運動），都能夠被精確記錄察覺。正因為對 LIGO 探測器及引力波探測的決定性貢獻，麻省理工學(xué)院萊納?魏斯（Rainer Weiss）教授與加州理工學(xué)院的基普?斯蒂芬?索恩（Kip Stephen Thorne）、巴里?巴里什（Barry C. Barish）一道，共同榮獲 2017 年的諾貝爾物理學(xué)獎。

圖｜LIGO 探測器（來源：維基百科）

無疑，激光是測量位置變化的最靈敏的方法之一，其固有噪聲干擾小，受光本身的量子特性加持，使得檢測細微運動變得更加容易。

羅杰表示，“把這種大型光學(xué)干涉儀的概念縮小到納米級的芯片上，我們組在 2012 年就已經(jīng)完成了技術(shù)驗證，現(xiàn)在的關(guān)鍵是如何將其推向產(chǎn)品化。通俗來講，這種傳感器是利用激光干涉的原理，將機械的位移轉(zhuǎn)化成光的相位變化，然后通過用光干涉測相位變化，我們就能很精確地獲得位移信息，然后就可以反算出加速度了?！?/p>

雖然不及 LIGO 天文臺的那種超高級別的精度，但這種光量子慣性傳感器的精度也能達到飛米級的分辨率，飛米通常用來描述原子級別的尺寸，1 飛米相當(dāng)于10-15米。而且，在實現(xiàn)這種超高精度的同時，它用較低的成本，即可實現(xiàn)傳統(tǒng)慣性傳感器難以比擬的性能。

光量子慣性傳感器的工作原理

羅杰打比方說，傳統(tǒng)的微機電慣性傳感器系統(tǒng)內(nèi)部可以看作是一個微觀的 “彈簧秤”，它能基于牛頓第二定律去測定數(shù)據(jù)，通過測慣性力的方式去測加速度，也可以通過其他的設(shè)計，“彈簧秤” 去測其他種類的力的效應(yīng)。

但絕大多數(shù)智能手機、手表里的 “彈簧秤”，都是通過電容來測位移，電容在室溫下有一個問題就是有比較大的電子噪音，這是一種客觀物理現(xiàn)象，基本無法克服它。當(dāng)這類傳感器被放進一個復(fù)雜的電磁環(huán)境中時，電容測繪的方式很容易被環(huán)境的電子噪音所干擾，所以你就會發(fā)現(xiàn)很難測得精準的位移數(shù)據(jù)，而且在內(nèi)部的 “Proof-Mass 質(zhì)量塊” 給定的情況下，越微小的加速度越難測到。

這就是我們在手機或者說一些可穿戴設(shè)備體驗中，經(jīng)常感覺運動數(shù)據(jù)測不準、測不到的根本原因所在。

業(yè)內(nèi)的解決方案之一是逐漸增加 “ 質(zhì)量塊” 的大小，增加它的質(zhì)量，讓它晃動時的位移幅度變大，但隨之而來的是系統(tǒng)需要做得越來越復(fù)雜，進而導(dǎo)致傳感器的成本越來越貴，從實用性角度來說，就不是很容易持續(xù)擴展應(yīng)用，位移數(shù)據(jù)的確精準了，但可用帶寬也隨 “質(zhì)量塊” 的增加而變小，價格也增長得很快。

目前市場上的慣性力傳感器主要分為三大類：激光陀螺儀、壓電式加速度計、以及 MEMS 微機電慣性測量組件。前兩類慣性力傳感器精度較高，但是受限于技術(shù)原因，其尺寸偏大，功能單一，同時生產(chǎn)成本高昂，限制了其在民用市場中的應(yīng)用。

而微機電慣性測量組件擁有尺寸小、功耗低、成本低的優(yōu)勢，但是其精度、測量范圍和頻寬都無法滿足未來更細致的應(yīng)用需求。

圖｜IMU 傳感器產(chǎn)品的市場瓶頸

這種新型的光量子慣性傳感器，在芯片設(shè)計部分運用了一個經(jīng)典的光 - 機械耦合系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個光腔，光腔的一端固定，另一端也是通過 MEMS 結(jié)構(gòu)懸浮，終端位移產(chǎn)生一丁點微小變化就可以改變光腔內(nèi)的光學(xué)共振頻率，讓光腔里面的光子發(fā)生相位的偏移，通過讀取這些微小的位移數(shù)據(jù)，獲得更靈敏、更精確的加速度或角速度，理論上可實現(xiàn)比現(xiàn)有 MEMS 傳感器數(shù)萬倍的性能（測量精度與有效測量帶寬等）。

“現(xiàn)在的消費級 MEMS 傳感器只能幫你記個步而已，但如果把測量精度指數(shù)級提高，就可以幫你勾勒出整個肢體的細微運動方式?！?羅杰說道。

值得關(guān)注的是，在生產(chǎn)工藝方面，羅杰表示這種新型的光量子慣性傳感器無需引入新的材料，仍然是基于硅基的設(shè)計，保留了硅基 MEMS 和硅基光電芯片的材料統(tǒng)一性和制作工藝的兼容性，所以成本可以保持非常低的水平，采用成熟的 90 納米 CMOS 工藝即可大規(guī)模生產(chǎn)，性價比會有幾何指數(shù)的變革。

把實驗室成果商業(yè)化

現(xiàn)階段，羅杰和任恒江已經(jīng)注冊了一家名為 Anyon Computing 的公司，兩人分別擔(dān)任公司的 CEO 和 CTO，他們計劃在未來 5 年內(nèi)，推動產(chǎn)品的商業(yè)化量產(chǎn)。羅杰透露，目前正在跟多家投資機構(gòu)洽談第一輪 500 萬美金的融資，來完成團隊人才的擴充，推動商業(yè)訂單的生產(chǎn)。

超高性能的光量子慣性傳感器能給終端應(yīng)用帶來哪些改善？羅杰認為，市場想象空間巨大。

比如 VR、AR 類產(chǎn)品，現(xiàn)在市面上能買到的消費級設(shè)備普遍都有這些問題：你想做的運動或者當(dāng)動作過快時，它們無法跟蹤上，此外測量精確度很差，難以跟蹤你的準確運動方式，因此很多附屬解決方案都涉及增加攝像頭、部署紅外傳感器等，在某個指定區(qū)域里綜合判斷定位問題，這樣的體驗不僅過于局限，而且需要比較大的計算量，這也是為什么很多設(shè)備仍需要連接到主機進行計算，如果慣性傳感器能提供足夠高的精準度，那么單憑這種傳感器就能測出人的位移，大幅提升終端體驗。

同樣原理，光量子慣性傳感器能實現(xiàn)更低成本的室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下的高精度導(dǎo)航。典型的應(yīng)用場景比如在商場中，手機上的 GPS 信號基本上就沒用了，購物路線很難達到商業(yè)效率最大化，很多解決方案需要在商場內(nèi)部署很多外源的信號發(fā)生器，單純的基建布置成本就不低，而高精度的慣性導(dǎo)航能力可以輕松克服這類障礙。

此外，光量子慣性傳感器也能讓自動駕駛技術(shù)更上一層樓。自動駕駛的計算主機很依賴于多種傳感器來提供精確的外在數(shù)據(jù)，然后通過多傳感器數(shù)據(jù)融合算法，把相機、LIDAR、RADAR、GPS 以及 IMU 的信號融合在一起進行互相的修正。

很多外源信號容易受到環(huán)境的干擾，比如說天氣條件、光照條件、樓宇建筑遮擋 GPS 信號等，高精度的 IMU 則不依賴任何外界的輸入信號，在其他傳感器受到干擾或失效的情況下，仍可保障車輛的位置和姿態(tài)控制精度，提高整個系統(tǒng)的可靠性，但就目前而言，IMU 傳感器仍是高級別自動駕駛技術(shù)中的一大短板。而光量子慣性傳感器可以兼顧性能和成本控制，延伸可以應(yīng)用到無人機、機器人等領(lǐng)域。

另外，光量子慣性傳感器在地震監(jiān)測、機械震動檢測維護、影視制作中的姿態(tài)捕捉和監(jiān)測等方向都有用武之地。

“理論上來說，所有通過電容去測量位移的 MEMS 傳感器，如果對精度有更高需求的話，都可以改成用光來測。” 羅杰表示，在接下來的研發(fā)中，考慮到實際應(yīng)用需要，團隊還需把核心部分之外的電路和光路設(shè)計完善起來，然后封裝成一個完整的產(chǎn)品。

而這個產(chǎn)品應(yīng)用底層的量子光電信號轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)技術(shù)，是當(dāng)前構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)的一大熱門研究方向，也是團隊更長線的發(fā)展目標。

原文標題：90后科學(xué)家回國創(chuàng)業(yè)，開發(fā)光量子極限傳感器，性能提升數(shù)萬倍，稱“全球最好，沒有之一”

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