近日，世界上首臺(tái)非實(shí)驗(yàn)室條件下的量子重力梯度儀問世，這一“走出實(shí)驗(yàn)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(shù)傳感器與計(jì)時(shí)中心、英國伯明翰大學(xué)研究人員展示了世界上首個(gè)可以在現(xiàn)實(shí)世界中有效工作的量子重力儀，它能夠在實(shí)驗(yàn)室條件以外探測地下結(jié)構(gòu)，為人類探索腳下的世界打開了一扇窗戶。相關(guān)研究成果發(fā)表于2月23日的《自然》期刊。

“沙漏式”量子重力梯度儀

量子重力梯度儀是依據(jù)與英國國防部的合同，以及國家科研與創(chuàng)新署(UKRI)資助的重力先驅(qū)項(xiàng)目開發(fā)的，也是英國國家量子技術(shù)計(jì)劃的一部分。研究團(tuán)隊(duì)利用該儀器，通過探測與管道相關(guān)的微重力變化，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(shù)傳感器，尋找到隱藏在地下的物體，是科學(xué)界期待已久的里程碑。這對業(yè)界、國家安全，乃至人類知識(shí)的拓展都有著深遠(yuǎn)的影響。

先前的重力傳感器受到一系列環(huán)境因素的限制。一個(gè)特別的挑戰(zhàn)是振動(dòng)因素，它限制了所有應(yīng)用于測量的重力傳感器的測量時(shí)間。如果能夠解決這些限制，那么探測將變得更快速全面、成本更低。

Michael Holynski博士及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)了現(xiàn)今的重力梯度儀。他是伯明翰大學(xué)原子干涉術(shù)負(fù)責(zé)人，也是這項(xiàng)研究的主要作者。為了成功應(yīng)用量子技術(shù)，該重力梯度儀系統(tǒng)克服了振動(dòng)和其它環(huán)境挑戰(zhàn)。

該儀器“走出實(shí)驗(yàn)室”的成功探測則是由上述團(tuán)隊(duì)與工程學(xué)院教授Nicole Metje領(lǐng)導(dǎo)的土木工程師團(tuán)隊(duì)合作完成的。

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

量子技術(shù)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(lǐng)域的“愛迪生時(shí)刻”

“這是傳感領(lǐng)域的‘愛迪生時(shí)刻’，將改變社會(huì)、人類的理解和經(jīng)濟(jì)。”英國伯明翰大學(xué)冷原子物理學(xué)主任、英國量子技術(shù)傳感器與計(jì)時(shí)中心首席研究員Kai Bongs教授說道。

這臺(tái)量子重力儀將開啟一條商業(yè)道路，大大改善人類對地下物質(zhì)的測繪工作。這將意味著，未來人類可以減少建設(shè)鐵路和公路項(xiàng)目的成本和延誤，改進(jìn)對火山爆發(fā)等自然現(xiàn)象的預(yù)測，發(fā)現(xiàn)隱藏的自然資源和建筑結(jié)構(gòu)，以及在不破壞挖掘的前提下了解考古奧秘等等。

“有了這項(xiàng)突破，我們有可能在探索、建造和修復(fù)的過程中，結(jié)束（此前）糟糕的記錄和對運(yùn)氣的依賴。”Kai Bongs教授解釋，“此外，一張看不見的地下地圖現(xiàn)在離我們更近了一步，終于結(jié)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。”

建筑和基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目將是量子重力儀的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用。“探測礦井、隧道和不穩(wěn)定的地面等地表?xiàng)l件，對我們設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)房屋、工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。這項(xiàng)新技術(shù)所代表的改進(jìn)能力可以改變我們測繪地面和交付這些項(xiàng)目的方式。”RSK地球科學(xué)與工程主任George Tuckwell教授說道。

國防部也參與了這一研究。“對于國防和安全來說，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(zhàn)性的環(huán)境中更安全地導(dǎo)航，開辟了嶄新的機(jī)會(huì)。”英國國防科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(Dstl)高級(jí)首席科學(xué)家Gareth Brown說，“隨著重力傳感技術(shù)的成熟，水下導(dǎo)航和地下探測的應(yīng)用將成為可能。”

可能受益于這項(xiàng)技術(shù)的領(lǐng)域?qū)脊艑W(xué)、水文學(xué)和農(nóng)業(yè)等。該儀器可以發(fā)現(xiàn)古墓和水道，并指示農(nóng)田土壤的狀況。

量子重力儀發(fā)現(xiàn)的地下隧道，圖片來自英國伯明翰大學(xué)

從“象牙塔”走向商業(yè)應(yīng)用

該量子重力儀的工作原理是利用量子物理學(xué)原理，探測微重力的變化。

重力儀使用一種叫做原子干涉術(shù)的量子技術(shù)，超冷的銣原子在重力的影響下下落，被激光束照亮，由此產(chǎn)生的干涉圖樣取決于它們下落的速度，并且非常精確地表明了當(dāng)?shù)刂亓龅膹?qiáng)度和梯度。

該儀器能夠測量原子云掉落時(shí)引力場拉力的細(xì)微變化。物體越大，物體與其周圍環(huán)境的密度差越大，可測量的拉力差就越大。

但原子干涉術(shù)，與所有量子技術(shù)一樣，對環(huán)境干擾非常敏感，特別是振動(dòng)。而這些振動(dòng)、儀器傾斜，以及磁場、熱場的環(huán)境干擾，使量子理論轉(zhuǎn)化到商業(yè)應(yīng)用，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

伯明翰大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)最大的技術(shù)成就是使儀器具有足夠的適應(yīng)性，能夠在道路或現(xiàn)場實(shí)際使用，而不僅僅是在實(shí)驗(yàn)室中。伯明翰量子重力儀是第一個(gè)能夠滿足現(xiàn)實(shí)世界挑戰(zhàn)，并執(zhí)行高空間分辨率探測的儀器，極大改進(jìn)了人類地質(zhì)地形圖的測繪工作。

“在學(xué)術(shù)環(huán)境下，我們已經(jīng)盡了最大努力，現(xiàn)在它必須向工業(yè)轉(zhuǎn)化。”Kai Bongs教授認(rèn)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(xué)研究人員已經(jīng)與工業(yè)合作伙伴RSK和美國科技集團(tuán)Teledyne在英國的子公司Teledyne e2v討論了該儀器的商業(yè)化途徑，但他們也考慮成立自己的初創(chuàng)公司來利用這項(xiàng)研究。