90後科學家回國創業，開發光量子極限傳感器，性能提升數萬倍

近二十年來，隨著矽微機械加工技術的飛速發展，微機電系統（MEMS）傳感器得到了廣泛應用。一個典型的產品就是 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於導航坐標系的角速度信號，由此便可解算出物體的運動姿態。

因此，IMU 也常和 GPS 聯合使用，當機器處於城市樓宇中、商場內、地下車庫等 GPS 信號失效的環境時，IMU 就可以發揮輔助作用，獲得相對位置信息幫忙導航，在如今的智慧型手機、汽車、自動駕駛設備、無人機以及可穿戴電子、遊戲設備等產品中，這種元器件幾乎不可或缺，在軍事裝備、航空航天等領域也有至關重要的作用。

從消費級到航天級等不同精度性能的 IMU 產品，價格區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優於現有 IMU 數萬倍的性能，同時可以更好地控制噪聲幹擾和信號解釋，進而給終端應用帶來新一輪變革。

「我們現在做的矽基晶片光量子極限傳感器及其背後積澱的基礎物理原理研究，算是全世界最好的，不加之一。」 青年科學家羅傑非常自信地對 DeepTech 說道。

羅傑今年 29 歲，曾在香港大學取得數學與物理學雙專業學士，後在加州理工學院應用物理讀完博士、在勞倫斯伯克利國家實驗室做博士後研究員從事量子計算晶片開發。現在，他正和自己的老同學任恆江搭檔，試圖將這項傳感器研究成果從實驗室推廣到商業化市場。

把引力波天文臺技術概念，縮小到晶片上

2010 年，羅傑通過國內高考被香港大學錄取，因為從小喜歡物理，在大學期間依然選擇了物理專業，尤其對基礎物理研究比較感興趣，同時兼修了數學專業，最終獲得雙專業學位。

2013 年本科生階段，他作為交換生去加州大學聖巴巴拉分校（UCSB）學習，期間，恰逢行業中一件重磅大事件，UCSB 的知名物理學家約翰・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用方面的相關研究。

「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、數學，包括量子計算等基礎科學研究，是能夠跟產品應用結合起來的，這對我很有吸引力。」 之後，羅傑的科研重點便逐漸從基礎物理開始轉向了應用物理。

在加州理工學院攻讀應用物理量子工程博士期間，羅傑結識了任恆江，兩人是在同一屆進了同一個科研組，之後一起工作了近 5 年時間。任恆江先後在加州理工學院取得電子工程博士學位，並從事應用物理博士後研究工作，深入研究在矽晶片上利用光 - 機械耦合處理量子信息。

他們所在的研究組重點研究領域之一是矽基晶片上做光 - 機耦合。2012 年，該研究組的應用物理學教授奧斯卡・彭特（Oskar Painter）及其團隊在《自然光子學》（Nature Photonics）論文中描述了一種新穎的基於光 - 機械耦合與雷射幹涉的加速度測量原理，這種高解析度微晶片光機械加速度計不是使用電路來測量運動，而是使用雷射，儘管設備尺寸很小，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｜發表於 2012 年的關於新一代微傳感器的研究論文（來源：Nature Photonics）

這類技術最高端的應用之一，是由美國國家科學基金會（NSF）資助的雷射幹涉儀引力波天文臺（LIGO）項目，該設施由加州理工學院和麻省理工學院的頂尖物理學家共同領導創建。

雷射幹涉儀的靈敏度極高，長達 4 千米的幹涉臂長度發生任何變化（小至質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，麻省理工學院萊納・魏斯（Rainer Weiss）教授與加州理工學院的基普・史蒂芬・索恩（Kip Stephen Thorne）、巴裡・巴裡什（Barry C. Barish）一道，共同榮獲 2017 年的諾貝爾物理學獎。

圖｜LIGO 探測器（來源：維基百科）

無疑，雷射是測量位置變化的最靈敏的方法之一，其固有噪聲幹擾小，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。

羅傑表示，「把這種大型光學幹涉儀的概念縮小到納米級的晶片上，我們組在 2012 年就已經完成了技術驗證，現在的關鍵是如何將其推向產品化。通俗來講，這種傳感器是利用雷射幹涉的原理，將機械的位移轉化成光的相位變化，然後通過用光幹涉測相位變化，我們就能很精確地獲得位移信息，然後就可以反算出加速度了。」

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解析度，飛米通常用來描述原子級別的尺寸，1 飛米相當於 10-15 米。而且，在實現這種超高精度的同時，它用較低的成本，即可實現傳統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

羅傑打比方說，傳統的微機電慣性傳感器系統內部可以看作是一個微觀的 「彈簧秤」，它能基於牛頓第二定律去測定數據，通過測慣性力的方式去測加速度，也可以通過其他的設計，「彈簧秤」 去測其他種類的力的效應。

但絕大多數智慧型手機、手錶裡的 「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象，基本無法克服它。當這類傳感器被放進一個複雜的電磁環境中時，電容測繪的方式很容易被環境的電子噪音所幹擾，所以你就會發現很難測得精準的位移數據，而且在內部的 「Proof-Mass 質量塊」 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備體驗中，經常感覺運動數據測不準、測不到的根本原因所在。

圖｜光量子慣性傳感器的原理示意圖

業內的解決方案之一是逐漸增加 「 質量塊」 的大小，增加它的質量，讓它晃動時的位移幅度變大，但隨之而來的是系統需要做得越來越複雜，進而導致傳感器的成本越來越貴，從實用性角度來說，就不是很容易持續擴展應用，位移數據的確精準了，但可用帶寬也隨 「質量塊」 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：雷射陀螺儀、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，但是受限於技術原因，其尺寸偏大，功能單一，同時生產成本高昂，限制了其在民用市場中的應用。

而微機電慣性測量組件擁有尺寸小、功耗低、成本低的優勢，但是其精度、測量範圍和頻寬都無法滿足未來更細緻的應用需求。

圖｜IMU 傳感器產品的市場瓶頸

這種新型的光量子慣性傳感器，在晶片設計部分運用了一個經典的光 - 機械耦合系統，該系統是一個光腔，光腔的一端固定，另一端也是通過 MEMS 結構懸浮，終端位移產生一丁點微小變化就可以改變光腔內的光學共振頻率，讓光腔裡面的光子發生相位的偏移，通過讀取這些微小的位移數據，獲得更靈敏、更精確的加速度或角速度，理論上可實現比現有 MEMS 傳感器數萬倍的性能（測量精度與有效測量帶寬等）。

「現在的消費級 MEMS 傳感器只能幫你記個步而已，但如果把測量精度指數級提高，就可以幫你勾勒出整個肢體的細微運動方式。」 羅傑說道。

值得關注的是，在生產工藝方面，羅傑表示這種新型的光量子慣性傳感器無需引入新的材料，仍然是基於矽基的設計，保留了矽基 MEMS 和矽基光電晶片的材料統一性和製作工藝的兼容性，所以成本可以保持非常低的水平，採用成熟的 90 納米 CMOS 工藝即可大規模生產，性價比會有幾何指數的變革。

把實驗室成果商業化

現階段，羅傑和任恆江已經註冊了一家名為 Anyon Computing 的公司，兩人分別擔任公司的 CEO 和 CTO，他們計劃在未來 5 年內，推動產品的商業化量產。羅傑透露，目前正在跟多家投資機構洽談第一輪 500 萬美金的融資，來完成團隊人才的擴充，推動商業訂單的生產。

超高性能的光量子慣性傳感器能給終端應用帶來哪些改善？羅傑認為，市場想像空間巨大。

比如 VR、AR 類產品，現在市面上能買到的消費級設備普遍都有這些問題：你想做的運動或者當動作過快時，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，在某個指定區域裡綜合判斷定位問題，這樣的體驗不僅過於局限，而且需要比較大的計算量，這也是為什麼很多設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，那麼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更低成本的室內複雜環境下的高精度導航。典型的應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效率最大化，很多解決方案需要在商場內部署很多外源的信號發生器，單純的基建布置成本就不低，而高精度的慣性導航能力可以輕鬆克服這類障礙。

此外，光量子慣性傳感器也能讓自動駕駛技術更上一層樓。自動駕駛的計算主機很依賴於多種傳感器來提供精確的外在數據，然後通過多傳感器數據融合算法，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境的幹擾，比如說天氣條件、光照條件、樓宇建築遮擋 GPS 信號等，高精度的 IMU 則不依賴任何外界的輸入信號，在其他傳感器受到幹擾或失效的情況下，仍可保障車輛的位置和姿態控制精度，提高整個系統的可靠性，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，延伸可以應用到無人機、機器人等領域。

另外，光量子慣性傳感器在地震監測、機械震動檢測維護、影視製作中的姿態捕捉和監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。」 羅傑表示，在接下來的研發中，考慮到實際應用需要，團隊還需把核心部分之外的電路和光路設計完善起來，然後封裝成一個完整的產品。

而這個產品應用底層的量子光電信號轉換基礎技術，是當前構建量子網際網路的一大熱門研究方向，也是團隊更長線的發展目標。