中国空间站将地球本身作为巨大的传感器，寻找新物理学

在距离地面约400公里的轨道上,中国空间站正在成为一个前所未有的物理实验室。由中国科学技术大学领衔的SQUIRE项目,计划在这个高速运动的平台上部署超灵敏量子自旋传感器,搜寻可能颠覆现有物理学框架的奇异玻色子相互作用信号。这项发表于《国家科学评论》的研究,不仅代表量子传感技术首次大规模应用于太空环境,更标志着人类在探索超越标准模型的新物理现象方面,迈出了革命性的一步。

该项目的核心理念极具创新性:将地球本身转化为一个巨大的极化自旋源。地球地壳和地幔中未配对的地电子,在地磁场作用下排列整齐,产生约10的52次方个极化自旋——这个数量是实验室常用钐钴磁体的10的17次方倍。当空间站以每秒7.67公里的速度绕地球飞行时,如果存在奇异相互作用,传感器中的原子自旋将与这些地电子产生耦合,激发出可探测的伪磁场信号。

由中国科学技术大学杜江峰院士团队主导的这项研究,汇集了量子物理、航天工程和暗物质探测等多个前沿领域的专家智慧。项目首席科学家王元宏教授指出,将量子测量的极致精度与太空环境的独特优势相结合,使SQUIRE能够突破地面实验的根本限制,在探测灵敏度上实现6到7个数量级的跨越式提升。

太空环境的三重优势

SQUIRE项目将量子传感带入太空，利用中国空间站上的先进自旋传感器，寻找可能重塑我们对基础物理学理解的神秘奇异相互作用。图片来源：Shutterstock

空间站轨道为探测奇异相互作用提供了三个关键优势,这些优势在地面实验中几乎不可能同时获得。首先是极高的相对运动速度。空间站的轨道速度接近第一宇宙速度,比实验室中移动天体的速度快约400倍。理论预测显示,某些类型的奇异相互作用强度与相对运动速度密切相关,高速运动将使信号强度显著增强。

其次是地球作为天然极化源的巨大规模。传统实验室实验通常使用稀土永磁材料作为极化自旋源,但即使是最强的钐钴磁体,其极化自旋数量也仅约10的35次方。相比之下,整个地球提供的极化自旋数量达到惊人的10的52次方,这种量级差异为探测极其微弱的奇异相互作用创造了可能。

第三个优势在于轨道运动的周期性特征。空间站约1.5小时的轨道周期,自然地将潜在的奇异信号调制为约0.189毫赫兹的低频振荡。这个频段的背景噪声远低于地面环境,且周期性信号更容易从噪声中提取出来。通过长时间积分,可以将信噪比提升到足以探测极其微弱信号的水平。

基于这些优势,SQUIRE系统的理论灵敏度可达20皮特斯拉,而地面最先进的实验仅能达到0.015皮特斯拉。对于作用距离超过1000公里、速度依赖型的奇异相互作用,SQUIRE的探测灵敏度预计将比现有地面实验提高数百万倍。

攻克太空量子传感技术壁垒

将实验室级别的量子传感器送入太空并保持其性能,是SQUIRE项目面临的最大技术挑战。空间环境充满敌意:地球磁场的剧烈变化、航天器的持续振动以及无处不在的宇宙辐射,都可能严重干扰量子态的精密测量。

研究团队开发的原型传感器集成了三项突破性技术。核心是双惰性气体自旋传感器,同时使用氙-129和氙-131两种同位素。这两种同位素具有相反的旋磁比,对磁场噪声的响应会相互抵消,但对奇异相互作用信号的响应方向一致。这种巧妙设计实现了万倍的磁噪声抑制能力。结合多层磁屏蔽系统,可将地磁场波动降低到亚飞特斯拉量级。

超轻奇异玻色子的天基搜索示意图和空间量子传感器原型，包括蒸汽电池、磁屏蔽、光纤陀螺仪和辐射屏蔽盒。图片来源：科学中国出版社

振动是另一个必须解决的问题。空间站上的各种设备运转、太阳能帆板调整以及轨道机动都会产生振动,这些振动会通过多普勒效应引入额外噪声。SQUIRE团队集成了光纤陀螺仪系统,实时监测平台姿态变化并主动补偿振动效应,将振动引入的噪声降低到0.65飞特斯拉的可忽略水平。

宇宙辐射防护同样至关重要。高能粒子可能破坏电子器件、干扰量子态甚至导致系统故障。研究团队设计了0.5厘米厚的铝制防护外壳,并在控制电路中采用三重模块化冗余架构。即使三个冗余电路中有两个发生故障,系统仍能正常工作。这种设计将辐射导致的中断频率降低到每天少于一次。

整合这些技术后,SQUIRE原型机在地面测试中实现了4.3飞特斯拉的单次测量灵敏度,测量时间为1165秒,正好匹配空间站1.5小时的轨道周期。这为在轨高精度暗物质探测奠定了坚实的技术基础。

从单点探测到天地一体网络

SQUIRE的愿景远不止于单个空间站实验。项目规划构建"天地一体"量子传感网络,将轨道传感器与地面实验室联网,形成覆盖不同空间尺度和时间尺度的协同观测体系。这种网络架构将使探测能力产生质的飞跃。

对于轴子暗物质的探测,空间站的高速运动增强了轴子晕与核子自旋之间的耦合强度,使灵敏度比地面直接探测提高约10倍。随着中国深空探测计划的推进,SQUIRE框架将向更遥远的空间延伸。木星和土星等巨行星拥有更强的磁场和更多的极化粒子,可作为天然的增强型极化源,将探测边界推向宇宙尺度。

除了奇异相互作用搜寻,空间量子传感器还能开展CPT对称性验证、洛伦兹不变性检验、等效原理测试等一系列基础物理研究。这些实验将在前所未有的精度水平上检验现代物理学的基石假设。

中国在量子科技和空间科学领域的快速发展,为SQUIRE项目提供了坚实支撑。中国空间站的长期在轨运行能力、成熟的载荷运输体系以及量子通信网络的技术积累,都是项目实施的重要保障。

随着SQUIRE逐步从概念走向现实,人类探索宇宙深层奥秘的能力将获得革命性提升。无论最终是发现新粒子、新力还是证实现有理论的完备性,这项将地球化作巨型传感器的大胆尝试,都必将在物理学史册上留下浓墨重彩的一笔。