量子传感器识别地下隧道

作者：希瑟·M·希尔

编译：纯珍

图片来源：B. Stray 等人，Nature 602 , 590 (2022)

一种新型原子干涉仪克服了微震噪声，可以快速绘制局部重力场。

在精细结构常数和引力常数的基础探索中，灵敏的重力测量是必不可少的。用于这些测量的传感器通过光学方式将原子云置于不同动量和能量状态的叠加中并让它们自由下落。然后原子波包在重新组合之前在两条空间路径中移动。由此产生的干涉图案提供了对局部重力场的敏感测量。

人们试图建造重力传感器，利用地表重力场的微小变化来探测地下密度不均匀性，以用于现实世界的应用，例如监测火山和探测可能干扰建筑项目的地下空洞。但矛盾的是，这种传感器的实际使用受到其灵敏度的限制：需要长时间测量才能消除微震振动。而且以高分辨率绘制局部重力场图会花费太多时间。

英国伯明翰大学的Michael Holynski和他的同事们现在展示了一种减少测量持续时间的解决方案。他们在两个反平行磁光阱中，在微开尔文温度下，制备了铷-87原子。研究人员不是使用一团原子云，而是用单个光束同时干涉两团原子云，其中一团比另一团高一米。比较这两种干涉图案揭示了垂直重力梯度，几乎完全消除了振动噪声。

研究人员在伯明翰街道上测试了探测器，如上图所示，街道下方有一条 2 米宽的公用隧道。他们在 8.5 m 的范围内每半米测量一次。结果不仅发现了地下结构造成的微小重力差异，还发现了附近建筑物和当地地形的重力差异。研究人员对总预期信号（图中的虚线）进行了建模。

图片来源：B. Stray 等人，Nature 602 , 590 (2022)

原子干涉仪检测到预期的重力变化，特别是在图中位置 0 的隧道上方时，重力梯度中明确定义的倾角。经过一些统计分析，结果还提供了有关地下结构位置的定量信息——在这种情况下，隧道中心的测量深度为 1.89 (-0.59/+2.3) m。

虽然原型的灵敏度只有最好的实验室原子干涉仪的 1/30 左右，但其不确定性比商业经典重力仪的不确定性小 1.5 到 4 倍。如果安装在轨道或车辆上，它应该能够在短短 15 分钟内通过 10 点线扫描检测类似米级的地下结构，这与使用传统重力仪进行单次测量所需的时间相当。

潜在的应用非常广泛，例如搜索考古遗址和绘制含水层地图。研究人员已经对如何提高灵敏度提出了建议，这将进一步缩短测量时间，并找出比目前可能的更小、更深的特征。

资料来源：https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20220401a/full/