世界首个量子重力梯度仪面世，为人类低成本揭晓地下世界

世界首个量子重力梯度仪面世，为人类低成本揭晓地下世界

编辑：袁榭

量子技术的突破性进展，为人类便捷地 探索 地下世界打开了新的途径。

2022年2月，伯明翰大学的研究人员与行业伙伴合作，展示了全球第一个可以在现实世界中可靠工作的量子重力梯度仪，它可以在被严格控制的实验室条件之外探测地下结构。

技术背景

英国伯明翰大学研究者迈克尔·霍林斯基(Michael Holynski)的团队研发出了一款基于量子传感器的重力梯度仪。2月24日，相关成果在《自然》杂志上刊出。

重力在世间万物中存在。研究者通过测量地球上的重力场数据，可确定地球内部岩石圈的结构、密度等。

传统的获取地球上重力场数据方法，使用经典重力仪。经典重力仪本质是个高度灵敏的弹簧秤，「弹簧系统」会随重力变化产生位移。研究者通过观测位移，来测定重力变化。

不消说，这种测量方式耗时费力，单个数据点测量需要几十分钟，测量精度也难有改善。

而利用量子特性进行重力测量是种替代思路，在20年多前，已有研究者用原子干涉仪进行重力场测量实验。

不过，振动、仪器倾斜以及磁场和热场的干扰，这些环境因素的限制使得量子理论转化为可行仪器变得艰难。

尤其是振动，限制了几乎所有类型重力仪的测量时间。如果能够解决这些障碍，测量就可以变得更快、更全面、成本更低。

比如被应用于地球物理测量的机电重力仪，要在建筑工地等以米作为测量尺度的场景中应用，就需要很长的测量时间来消除局部地震噪声或振动(如经过的车辆或其他地下结构的共振)，因而十分困难。

工作原理

伯明翰大学团队基于量子力学原理，研发出了一款更实用的重力梯度仪。

量子重力梯度仪的工作原理是在微观层面，使用超冷原子、基于量子物理原理感应微重力的变化，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。

伯明翰大学团队研发出的重力梯度仪，并非直接探测重力场的绝对数据，而是探测重力梯度，即重力场强度在垂直方向上的变化率。这类测量方式能够更好地抑制噪音效果，因此更灵敏地反映重力的局部变化。

据《自然》杂志报道，这款量子重力梯度仪采用沙漏结构。利用该结构，他们能对垂直间隔一米的两个超冷铷原子云（铷是一种金属元素）进行差分测量，从而获取高精度数据。

测试基础原理示意图

重力仪使用一种叫做原子干涉术的量子技术，超冷的铷原子在重力的影响下下落，被激光束照亮，由此产生的干涉图样取决于它们下落的速度，并且非常精确地表明了当地重力场的强度和梯度。

在无预设环境的实地试运行中，量子重力梯度仪克服了振动和其他各种环境限制。通过对微小引力信号的测量，量子重力梯度仪能够无损地感应到地表之下的情况。15分钟内，即可收集10个地点的重力梯度数据。

在应用层面，利用该仪器，在英国伯明翰的城市环境中，该设备探测了两栋多层建筑之间一条2米 2米的地下隧道。团队还在一条8.5米的街道路面下，探测到了一条横截面积为2平方米的隧道。

实地测试概念图

对该量子重力梯度仪进行进一步的科学改进，包括使用大动量分光镜，有可能使仪器的灵敏度进一步提高10-100倍，从而能够更快地绘制或检测更小和更深的特征。预计在未来5-10年内，这种性能将在未来商用的量子重力梯度仪中实现。

广阔的未来应用

伯明翰大学的量子重力梯度仪是全球第一个能够满足现实场景挑战、并执行高空间分辨率探测的仪器，极大改进了人类地质地形图的测绘工作效率。

此突破最大的技术成就是使仪器具有足够的适应性、能够在道路或现场实际使用，而不仅仅是在实验室中。

这一突破将使未来的各种地下和水下测量更便宜、更可靠，结果产出速度快10倍，测量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，为地下空间开发提供一个新的视角。

街区实地测试照片

这一发现本身就不是单纯的学术研究进展，出发点就寄托在现实应用上。

这项突破是由伯明翰大学、RSK（环境、工程和可持续性解决方案提供商）、Dstl（国防科学和技术实验室，隶属于英国国防部）和Teledyne e2v的多方合作取得的。该项目作为「英国国家量子技术计划」的一部分，是由「英国研究与创新基金会」（UKRI）资助，并根据国防部的合同进行的。

英国伯明翰大学冷原子物理学主任、英国量子技术传感器与计时中心首席研究员Kai Bongs教授称：「这是传感领域的‘爱迪生时刻’，将改变 社会 、人类知识和经济。」

「有了这项突破，人类就可以在 探索 、建造和修复建筑和基础设施时不再依靠糟糕的记录和运气。此外学界离目前还不可得的全域地下地图测绘更近了一步，这将有效结束人类对脚下几米深处的情况比对南极洲了解得还少的局面。」

能够应用此仪器的地下各层深度示意图

城市工程师可利用量子重力梯度仪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；

考古学家或可将量子重力梯度仪用于测绘墓穴和隐藏在地下的结构，在不进行破坏性掘地三尺的前提下了解地下遗址的状况；

量子重力梯度仪还可用于测量地质特征，例如含水层或土壤密度，以确定地域含水量或发现隐藏的矿藏资源；

量子重力梯度仪还能改进对火山喷发等自然现象的预测。

街区实地测试照片

RSK地球科学与工程部主任George Tuckwell教授表示：「检测矿山巷道、隧道和不稳定地面等地表条件对设计、建造和维护住房、工业和基础设施的能力至关重要。这项新技术所代表的改进能力，可以改变我们绘制测绘全域地物图、完成建筑项目的方式。」

量子传感联合项目技术主管、「英国国防科学和技术实验室」（Dstl）高级首席科学家Gareth Brown博士说：「对于实地应用而言，精确、快速的测量微重力的变化为检测原本无法检测到的物体、在充满挑战的环境中更安全的导航提供了新的机会。随着重力传感技术的成熟，水下导航和揭示地下情况的应用将成为可能。」

伯明翰大学研究团队称，在仪器做到更小、更灵活和更灵敏，就会马上投放市场。

尽管伯明翰大学研究人员已经与合作伙伴RSK和美国 科技 集团Teledyne在英国的子公司Teledyne e2v讨论了该仪器的商业化途径，但他们也考虑成立自己的初创公司来出售这项研究。

参考资料：

https://spectrum.ieee.org/quantum-sensors-gravity-birmingham

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

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