原子干涉儀還為慣性導航制造具有競爭力的陀螺儀和加速計，在某些情況下將對聲納或GPS的需求降至最低；陀螺羅盤、衛星定位、制導、導航重力測繪和海底避障等應用也可能即將問世。

圖2 原子干涉儀從實驗室研究到商業應用的時間表

德布羅意關于粒子像波一樣傳播的假設開創了物質波光學領域的研究。隨后，原子干涉測量法受益于激光捕獲和冷卻原子、從光到原子的相干動量轉移、光子學和納米技術等方面的關鍵工作。原子干涉測量法的現代演示始于1991年(a)，該領域在多個機構的支持下不斷發展，包括美國國家科學基金會(NSF)、美國國家標準與技術研究院(NIST)、ARO、ONR、DARPA、NASA和DOE。原子干涉測量法在重力測量(b)、慣性導航、土木工程、地球科學和基本常數的測量中都有應用。30多年來的持續投資使原子干涉儀從實驗室儀器(c)發展到基于空間的平臺，催生了新的公司和商業原型(d)、移動裝置(e)、2020年美國宇航局冷原子實驗室在軌道上進行原子干涉測量實驗(f)。即使有了這些進展，仍然需要克服工程上的挑戰，以促進原子干涉儀的商業應用。例如，需要在激光系統、集成光學、原子源、真空系統和量子控制方面進行重點工作。

3.光學磁力計

基于蒸汽、玻色凝聚體或固態系統(如金剛石中的氮-空位(NV)中心)中原子自旋的光學磁力計可以為本地和遠程傳感、繪圖和導航提供功能。磁力計可用于神經功能的生物醫學研究，例如，通過腦磁圖(MEG)了解阿爾茨海默病、帕金森病和認知能力。MEG等技術是對生物醫學中的功能磁共振成像、腦電圖(EEG)和冷凍電子顯微鏡的補充。NV中心還能對微米級樣品的化學位移進行核磁共振光譜學分析，適用于研究單個細胞的蛋白質動力學。光學磁力計還可以支持生物樣本的無創檢測和表面科學的新工具。

圖3 左為基于SQUID的MEG，右為基于光學磁力計的MEG

基于超導量子干涉器件(SQUID)的MEG設備(a)需要低溫冷卻，有很大的占地面積和開銷。雖然適用于醫學研究領域，但它們不太可能實現大規模的臨床使用。基于光學磁力計的MEG設備(b)可以接近甚至超過SQUID MEG的靈敏度極限，而不需要低溫冷卻或大的操作空間。這些更小、更便攜的MEG設備的一個應用可能是在現場診斷腦外傷。

圖4 NV中心磁力測量法

金剛石中的氮-空位(NV)中心允許磁測量和核磁共振(NMR)光譜分析，以及空間分辨率接近納米級的成像。NV中心的研發工作已經持續了20多年，參與者包括NSF、NIST、美國能源部、美國國防部和美國國立衛生研究院。顯著的成就包括檢測泛素蛋白中的多種核物種，如(a)；使用NV中心的NMR光譜分辨率，如(b)；使用使用單個NV中心的掃描共焦顯微鏡、納米級磁場傳感、使用量子鉆石顯微鏡的單細胞成像、以及活體標本中單個神經元激發的檢測。金剛石NV磁成像儀的可能的近期應用是檢測由多發性硬化癥等疾病引起的動作電位傳導速度的變化。

4.利用量子光學效應的裝置

利用量子光學效應的設備提供了突破顯微鏡、光譜和干涉測量中的標準量子極限的機會。非經典狀態的光子使測量達到海森堡極限。例如，“壓縮光”使NSF的激光干涉儀引力波觀測站(LIGO)及其國際同類設備Virgo和KAGRA在傳統的預期噪聲基線以下運行。使用壓縮光大大增加了黑洞碰撞的探測率，有效地擴大了LIGO可以研究的宇宙范圍。

圖5 LIGO從理論概念到國際觀測活動的發展時間表