世界首台量子重力仪走出实验室

来自英国国家量子技术中心的伯明翰大学研究人员23日在《自然》(nature)杂志上发表研究称，世界上第一台非实验室条件下的量子重力梯度仪问世。这种利用量子技术的传感器可找到隐藏在地下的物体，这是科学家们期待已久的里程碑，其对学界、业界和国家安全等将具有深远的影响。论文题目为“Quantum sensing for gravity cartography”。

量子重力梯度仪

量子重力梯度仪是根据英国国防部的合同并在英国研究院资助的重力先锋项目中开发的，它被用来在真实世界的条件下找到埋在地表下一米的户外隧道。它赢得了一场将该技术带到室外的国际竞赛。

量子重力梯度仪的工作原理是利用量子物理原理探测微重力的变化，测量当原子云落下时引力场拉力的细微变化。物体越大，其密度与周围环境的差异越大，可测量的拉力差异就越大。但振动、仪器倾斜以及磁场和热场的干扰，使得量子理论转化为商业现实具有挑战性。伯明翰量子传感器的突破性成功开启了一条商业之路，是第一个迎接这些现实世界挑战并进行高空间分辨率调查的项目。消除由于振动引起的噪声将“解锁”高空间分辨率的重力映射，大大改进地质地形图的绘制。

觉醒时刻

伯明翰大学冷原子物理学主任、英国量子技术中心传感器和计时学术带头人的 Kai Bongs 教授说: “这是一个‘爱迪生时刻’，它将改变社会、人类理解和经济。”

“通过这一突破，我们有可能在探索、建造和修复过程中，结束对糟糕记录和运气的依赖。此外，目前看不见的地下地图现在又向前迈进了一大步，结束了我们对南极洲的了解比我们街道下面几英尺的地方还要多的局面。”

研究人员表示，这是传感领域的“觉醒时刻”，这一传感器可能有多种用途。城市工程师可利用它检测一些特殊用地的近地表（地下10米）特征，这些特征可能会影响新的建筑，因此可利用其降低铁路和公路项目的成本和延误；考古学家或可用于测绘墓穴和隐藏在地下的结构，在不破坏性挖掘的情况下了解考古奥秘；它还可用于测量地质特征，例如含水层或土壤密度，以确定含水量或发现隐藏的自然资源；还可改进对火山喷发等自然现象的预测。

此前的重力传感器受到一系列环境因素的限制。一个特别的挑战是振动，这限制了用于测量应用的所有重力传感器的测量时间。如果能够解决这些限制，调查就可以变得更快、更全面、成本更低。

产业应用成为可能

新开发的量子重力梯度仪克服了振动和其他各种环境挑战。这一突破将使未来的重力测量更便宜、更可靠，交付速度快10倍，探测所需的时间将从一个月减少到几天。它有可能为重力测量开辟一系列新的应用领域，为进入地下提供一个新的视角。此外，准确和快速地测量微重力的进步为促进国防和国家安全打开新机遇，未来我们可以探测到原本无法探测到的东西，并在具有挑战性的环境中更安全地航行。随着重力传感技术的成熟，水下导航和揭示地下条件的应用将成为可能。

相关链接

[1].https://www.cas.cn/kj/202202/t20220224_4826108.shtml

[2].https://www.nature.com/articles/s41586-021-04315-3

[3].https://phys.org/news/2022-02-sensor-breakthrough-paves-groundbreaking-world.html