美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员对其紧凑型原子陀螺仪进行了升级，以实现多任务测量功能并测量其性能，这是实际应用的重要步骤。
在一篇新论文中描述，量子陀螺仪的设计和评估过程由三位女性领导 - 这是物理学中极不寻常的情况，也是NIST项目负责人Elizabeth Donley的骄傲。博士后研究人员Yun-Jhih Chen和Azure Hansen在过去几年里完全重建了这台设备。
“我们不仅建造了一个简单的量子陀螺仪，而且这是第一次有人用单一原子源同时测量旋转，旋转角度和加速度，”Donley说。“其他陀螺仪，包括目前在手机和飞机上使用的经典陀螺仪，只能测量一个旋转轴。这也是我们第一次报告加速度和旋转测量的灵敏度。”
NIST团队之前使用早期版本的量子陀螺测量了旋转。升级该设备以提高信号强度和数据采集速度，以实现竞争性灵敏度测量。研究人员还添加了一种模式识别算法，该算法源自机器学习，可自动从原子图像中提取信息。
NIST陀螺仪是一种原子干涉仪，充分利用了原子可以同时作为粒子和波浪的事实。从两种不同能量状态的原子的干涉物质波(显示粒子在空间中的位置的概率)的图像推导出旋转和加速度。
原子干涉仪可用于导航和大地测量(基于重力测量的地球形状研究)，因为它们对加速和旋转的敏感性以及它们的长期稳定性和准确性。小型，轻型，低功率原子干涉仪的开发是将仪器从实验室转移到现场应用的关键。
NIST团队开发了一种简化方案，适用于便携式应用，使用单个微小的原子云，在测量过程中仅下降几毫米。体积仅1立方厘米的玻璃室含有大约1000万个冷铷原子，这些原子被捕获并释放出来。
目前，激光器需要全尺寸光学平台，并且还需要一些电子装置。Donley说，在陀螺仪可以在现场使用之前，需要使激光装置更加紧凑和集成。她补充说，其他研究小组正在缩小这些激光系统的尺寸。
NIST陀螺仪对旋转测量的幅度和方向的灵敏度分别为0.033度/秒和0.27度，平均时间为1秒。Donley说，这些结果接近其他研究小组使用更大的原子干涉仪所达到的灵敏度水平。此外，NIST陀螺仪的独特之处在于它可以测量沿两个轴的旋转和沿一个轴的加速度，同时使用单个原子源。
在NIST 陀螺仪中，当原子首先被捕获在云中然后释放以在重力作用下下降时，激光束使它们在两种能量状态之间转换。该过程涉及光粒子的吸收和发射，其给予原子动量并使其物质波分离并随后重新组合以干扰。当原子加速或旋转时，它们的物质波以可预测的方式移动和干涉，在扩展云的图像中可见。
通过在云中照射第二个弱激光束来成像原子。由于不同能态的原子吸收不同频率的光，因此图像显示了两种不同状态下原子种群的干涉带。通过分析原子云上的干涉带的间隔和方向来测量旋转速率和旋转轴。从中心带的位置变化测量加速度。干涉仪对沿激光束方向的加速度敏感，并且对垂直于光束的旋转敏感。
该仪器可以用作陀螺罗经，因为原子感知在与地球表面相切的平面内的旋转。由于地球的旋转，旋转信号指向北方，这在导航中很有用。