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一項(xiàng)新的研究表明，一個(gè)由物理學(xué)家和工程師組成的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)一種量子傳感器進(jìn)行了實(shí)地測(cè)驗(yàn)，該傳感器可以利用控制原子和重力的物理學(xué)原理探測(cè)地下結(jié)構(gòu)。

這種被稱為量子重力梯度儀的傳感器之前已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室條件下成功測(cè)試過，但新的研究報(bào)告了該儀器在實(shí)際戶外環(huán)境中的首次演示，這一突破為考古、導(dǎo)航、城市規(guī)劃和防災(zāi)等領(lǐng)域的大量改進(jìn)的傳感應(yīng)用鋪平了道路。

由英國(guó)伯明翰大學(xué)冷原子研究小組的物理學(xué)家和高級(jí)講師Michael Holynski領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開發(fā)了一種新型梯度儀，可以探測(cè)到伯明翰一條道路下三英尺深的隧道，這正是過去破壞量子傳感器實(shí)際性能的那種嘈雜的振動(dòng)環(huán)境。

該團(tuán)隊(duì)在2月23日發(fā)表在《自然》[1]雜志上的論文表明，里程碑式的探測(cè)的成功打開了“進(jìn)入地下的新窗口”，并為地下位置“更快地繪制或探測(cè)更小、更深的地貌”奠定了基礎(chǔ)。鑒于主要的考古發(fā)現(xiàn)是從停車場(chǎng)地下挖掘出來的，而城市基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于傳統(tǒng)的傳感方法來說往往過于復(fù)雜，這項(xiàng)新的成就可能會(huì)提供一種更高效和有效的方法來檢查無法進(jìn)入的空間。

該設(shè)備在伯明翰街道下的隧道中進(jìn)行了測(cè)試，大約有洗衣機(jī)那么大。

克服愛因斯坦的等效原理

研究人員開發(fā)了一系列工具來繪制地下空間的地圖，而無需對(duì)其進(jìn)行物理挖掘，重力傳感器有可能更深入地觀察地球，并評(píng)估更廣泛的環(huán)境，如古墓、礦井或含水層。這些傳感器操縱原子的量子特性來測(cè)量重力場(chǎng)的微小變化，這種技術(shù)可以揭示城市地下區(qū)域的輪廓。

然而，這些儀器非常敏感，它們能捕捉到所有影響現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境的雜亂振動(dòng)，比如風(fēng)、人們走路或建筑項(xiàng)目。這些振動(dòng)干擾了傳感器觀察隱藏空間所依賴的重力信號(hào)，在研究人員試圖從噪聲中提取正確的信號(hào)時(shí)，需要很長(zhǎng)的數(shù)據(jù)收集和處理時(shí)間。

Holynski表示：“振動(dòng)與所有重力傳感器都有關(guān)系，不管它們有多敏感，也不管它們是如何制造的，我們都無法區(qū)分重力和振動(dòng)。由于愛因斯坦的等效原理，這是不可能做到的。這是一個(gè)基本的物理定律。”

為了克服這個(gè)問題，Holynski、伯明翰大學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控教授Nicole Metje以及他們?cè)谟?guó)國(guó)家量子技術(shù)傳感器和計(jì)量中心的同事開發(fā)了一種梯度儀，由于利用了量子疊加現(xiàn)象，一個(gè)原子可以同時(shí)占據(jù)兩個(gè)狀態(tài)。

該團(tuán)隊(duì)的儀器向垂直間隔三英尺(0.91米)的冷原子云發(fā)射激光脈沖。這種初始觸發(fā)促使其中一些原子進(jìn)入疊加態(tài)，其中一個(gè)原子吸收了脈沖，產(chǎn)生了動(dòng)量，而另一個(gè)沒有。第二個(gè)脈沖使原子改變這些條件，使最初避開脈沖的原子現(xiàn)在吸收脈沖，反之亦然，第三個(gè)脈沖使原子回到初始狀態(tài)。

這種方法被稱為原子干涉測(cè)量法，允許研究人員測(cè)量原子軌跡之間的差異，從而揭示了它們下方質(zhì)量重力場(chǎng)的微小變化。

由于兩團(tuán)原子云在同一時(shí)間被激光脈沖激發(fā)，它們會(huì)遇到相同的振動(dòng)噪聲，但記錄了不同的重力信號(hào)，因?yàn)樗鼈兲幱诓煌母叨龋@使研究人員能夠從振動(dòng)反饋中分離出重力數(shù)據(jù)。

a.重力梯度數(shù)據(jù)，當(dāng)包括模型不確定性(藍(lán)色散射)、1σ(深藍(lán)色陰影)和2σ(淺藍(lán)色陰影)可信區(qū)間帶以及場(chǎng)地模型(虛線)時(shí)，具有標(biāo)準(zhǔn)誤差(黑色散射)和總推斷不確定性。b.顯示隧道的尺寸和位置以及對(duì)重力信號(hào)的主要影響的現(xiàn)場(chǎng)比例示意圖。坐標(biāo)原點(diǎn)(紅點(diǎn))在垂直方向上由勘測(cè)線上的最低點(diǎn)確定，在水平方向上由隧道中心的預(yù)期位置確定。c.從重力梯度儀數(shù)據(jù)推斷的POE即挖掘概率(藍(lán)色等高線)和預(yù)期隧道位置(虛線)。d.通過轉(zhuǎn)移推斷過程的焦點(diǎn)，使用隧道幾何的假定知識(shí)和梯度儀數(shù)據(jù)推斷，獲得土壤密度的估計(jì)，顯示68%的最高密度區(qū)間(HDI)。

Holynski表示：“它的優(yōu)點(diǎn)是，如果我拿一個(gè)傳統(tǒng)的重力傳感器，即使我把它的靈敏度提高10倍、100倍或1000倍，它仍然會(huì)受到振動(dòng)的限制。但有了我們現(xiàn)在制造的傳感器，如果我們把儀器的靈敏度提高10到10萬倍，我們實(shí)際上可以更快地測(cè)量和觀察事物。”

開辟了一條商業(yè)道路

該團(tuán)隊(duì)表示，這是世界上第一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室條件之外應(yīng)用的量子重力梯度儀。該儀器是根據(jù)英國(guó)國(guó)防部的合同開發(fā)的，并獲得了英國(guó)研究與創(chuàng)新中心(UKRI)重力先鋒項(xiàng)目的資助，用于尋找埋在地面以下一米的現(xiàn)實(shí)世界條件下的隧道。

這一成功開辟了一條商業(yè)道路，大大改善了對(duì)地下物質(zhì)的測(cè)繪。這將意味著：

● 降低建筑、鐵路和公路項(xiàng)目的成本和延誤。

● 改進(jìn)對(duì)火山爆發(fā)等自然現(xiàn)象的預(yù)測(cè)。

● 發(fā)現(xiàn)隱藏的自然資源和建筑結(jié)構(gòu)。

● 在不破壞挖掘的情況下理解考古秘密。

在不確定性水平為20 E的情況下，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)使用0.5米空間分辨率的未來重力制圖。

伯明翰大學(xué)冷原子物理系主任、量子技術(shù)傳感器和計(jì)量中心首席研究員Kai Bongs說：“一張目前看不見的地下地圖現(xiàn)在又向前邁進(jìn)了一大步，結(jié)束了我們對(duì)南極洲的了解比我們街道下幾英尺處的東西還多的局面。”

這一突破將使未來的重力測(cè)量變得更便宜、更可靠，交付速度提高10倍，并將測(cè)量所需的時(shí)間從一個(gè)月減少到幾天。它有可能為重力測(cè)量帶來一系列新的應(yīng)用，為地下世界提供一個(gè)新的視角。

根據(jù)英國(guó)政府發(fā)布的量子報(bào)告，英國(guó)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)，需要每年花費(fèi)50億英鎊在道路上挖400萬個(gè)洞，之所以這么做竟然是因?yàn)槿藗儾磺宄叵略O(shè)施的具體位置。而根據(jù)英國(guó)量子技術(shù)傳感器和計(jì)量中心的最新視頻，2013年至2030年，英國(guó)公共設(shè)施道路工程的預(yù)計(jì)累計(jì)總成本為3190億英鎊。

理論上，利用量子重力傳感器，英國(guó)政府有望每年節(jié)省50億英鎊道路維修成本。

RSK公司地球科學(xué)和工程總監(jiān)George Tuckwell教授說：“對(duì)礦山、隧道和不穩(wěn)定地面等地面條件的探測(cè)，對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)、建造和維護(hù)住房、工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施的能力至關(guān)重要。這項(xiàng)新技術(shù)所代表的改進(jìn)能力可能會(huì)改變我們繪制地圖和交付這些項(xiàng)目的方式”

量子傳感聯(lián)合項(xiàng)目技術(shù)權(quán)威、英國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(Dstl)高級(jí)首席科學(xué)家Gareth Brown博士說：“對(duì)于國(guó)防和安全來說，精確、快速地測(cè)量微重力的變化為探測(cè)原本無法探測(cè)到的物體和在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中更安全地導(dǎo)航提供了新的機(jī)會(huì)。隨著重力感應(yīng)技術(shù)的成熟，水下導(dǎo)航和揭示地下情況的應(yīng)用將成為可能。”

這項(xiàng)突破是伯明翰大學(xué)、可持續(xù)發(fā)展解決方案提供商RSK、Dstl和技術(shù)公司Teledyne e2v之間的合作。

參考鏈接：

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

[2]https://www.birmingham.ac.uk/news/latest/2022/02/sensor-breakthrough-paves-way-for-groundbreaking-map-of-world-under-earth-surface.aspx

[3]https://www.ft.com/content/cd5db0c8-0bb2-47a0-9e40-57c3e9d95170

[4]https://www.vice.com/en/article/dyp5zz/quantum-sensor-opens-a-new-window-into-the-underground