世界首臺量子重力儀走出實驗室，為人類打開「地下世界地圖」

近日，世界上首臺非實驗室條件下的量子重力梯度儀問世，這一「走出實驗室」的重大成果為人類探索「地下世界地圖」鋪平了道路。

「為通往腳下世界開了一扇窗」

英國量子技術傳感器與計時中心、英國伯明翰大學研究人員展示了世界上首個可以在現實世界中有效工作的量子重力儀，它能夠在實驗室條件以外探測地下結構，為人類探索腳下的世界打開了一扇窗戶。相關研究成果發表於2月23日的《自然》期刊。

圖片來自《自然》期刊

量子重力梯度儀是依據與英國國防部的合同，以及國家科研與創新署(UKRI)資助的重力先驅項目開發的，也是英國國家量子技術計劃的一部分。研究團隊利用該儀器，通過探測與管道相關的微重力變化，發現了一個埋在地下的隧道，該隧道承載著公用管道，在路面下約一米的位置。

能夠利用量子技術傳感器，尋找到隱藏在地下的物體，是科學界期待已久的裏程碑。這對業界、國家安全，乃至人類知識的拓展都有著深遠的影響。

先前的重力傳感器受到一系列環境因素的限製。一個特別的挑戰是振動因素，它限製了所有應用於測量的重力傳感器的測量時間。如果能夠解決這些限製，那麽探測將變得更快速全面、成本更低。

Michael Holynski博士及其團隊開發了現今的重力梯度儀。他是伯明翰大學原子幹涉術負責人，也是這項研究的主要作者。為了成功應用量子技術，該重力梯度儀系統克服了振動和其它環境挑戰。

該儀器「走出實驗室」的成功探測則是由上述團隊與工程學院教授Nicole Metje領導的土木工程師團隊合作完成的。

這一突破將使未來的重力測量更實惠、更可靠、傳輸速度快上10倍，測量時間將從一個月減少到幾天。它有可能為重力測量開辟一系列新的應用領域，為人類深入地下提供一個新的視角。

量子技術如何解釋地下世界的圖示（上層為量子傳感器未來可探測到的圖像，中層為地面上的世界，下層為由量子傳感器揭示的「地下世界」），圖片來自論文

傳感領域的「愛迪生時刻」

「這是傳感領域的『愛迪生時刻』，將改變社會、人類的理解和經濟。」英國伯明翰大學冷原子物理學主任、英國量子技術傳感器與計時中心首席研究員Kai Bongs教授說道。

這臺量子重力儀將開啟一條商業道路，大大改善人類對地下物質的測繪工作。這將意味著，未來人類可以減少建設鐵路和公路項目的成本和延誤，改進對火山爆發等自然現象的預測，發現隱藏的自然資源和建築結構，以及在不破壞挖掘的前提下了解考古奧秘等等。

「有了這項突破，我們有可能在探索、建造和修復的過程中，結束（此前）糟糕的記錄和對運氣的依賴。」Kai Bongs教授解釋，「此外，一張看不見的地下地圖現在離我們更近了一步，終於結束了這樣一種局面，即我們對南極洲的了解比我們腳下幾英尺的地方還多。」

建築和基礎設施項目將是量子重力儀的一個關鍵應用。「探測礦井、隧道和不穩定的地面等地表條件，對我們設計、建造和維護房屋、工業和基礎設施至關重要。這項新技術所代表的改進能力可以改變我們測繪地面和交付這些項目的方式。」RSK地球科學與工程主任George Tuckwell教授說道。

國防部也參與了這一研究。「對於國防和安全來說，精確和快速的測量微重力變化，為探測其它（之前）無法探測到的物體，以及在挑戰性的環境中更安全地導航，開辟了嶄新的機會。」英國國防科學與技術實驗室(Dstl)高級首席科學家Gareth Brown說，「隨著重力傳感技術的成熟，水下導航和地下探測的應用將成為可能。」

可能受益於這項技術的領域將包括考古學、水文學和農業等。該儀器可以發現古墓和水道，並指示農田土壤的狀況。

量子重力儀發現的地下隧道，圖片來自英國伯明翰大學

從「象牙塔」走向商業應用

該量子重力儀的工作原理是利用量子物理學原理，探測微重力的變化。

重力儀使用一種叫做原子幹涉術的量子技術，超冷的銣原子在重力的影響下下落，被激光束照亮，由此產生的幹涉圖樣取決於它們下落的速度，並且非常精確地表明了當地重力場的強度和梯度。

該儀器能夠測量原子雲掉落時引力場拉力的細微變化。物體越大，物體與其周圍環境的密度差越大，可測量的拉力差就越大。

但原子幹涉術，與所有量子技術一樣，對環境幹擾非常敏感，特別是振動。而這些振動、儀器傾斜，以及磁場、熱場的環境幹擾，使量子理論轉化到商業應用，面臨著巨大的挑戰。

伯明翰大學研究團隊最大的技術成就是使儀器具有足夠的適應性，能夠在道路或現場實際使用，而不僅僅是在實驗室中。伯明翰量子重力儀是第一個能夠滿足現實世界挑戰，並執行高空間分辨率探測的儀器，極大改進了人類地質地形圖的測繪工作。

「在學術環境下，我們已經盡了最大努力，現在它必須向工業轉化。」Kai Bongs教授認為，儀器在投放市場之前，必須做得更小、更靈活和更靈敏。

他表示，盡管伯明翰大學研究人員已經與工業合作夥伴RSK和美國科技集團Teledyne在英國的子公司Teledyne e2v討論了該儀器的商業化途徑，但他們也考慮成立自己的初創公司來利用這項研究。

來源：澎湃新聞