探索地下世界！量子重力传感器取得重大突破

光子盒研究院出品

一项新的研究表明，一个由物理学家和工程师组成的团队已经对一种量子传感器进行了实地测验，该传感器可以利用控制原子和重力的物理学原理探测地下结构。

这种被称为量子重力梯度仪的传感器之前已经在实验室条件下成功测试过，但新的研究报告了该仪器在实际户外环境中的首次演示，这一突破为考古、导航、城市规划和防灾等领域的大量改进的传感应用铺平了道路。

由英国伯明翰大学冷原子研究小组的物理学家和高级讲师Michael Holynski领导的研究人员开发了一种新型梯度仪，可以探测到伯明翰一条道路下三英尺深的隧道，这正是过去破坏量子传感器实际性能的那种嘈杂的振动环境。

该团队在2月23日发表在《自然》[1]杂志上的论文表明，里程碑式的探测的成功打开了“进入地下的新窗口”，并为地下位置“更快地绘制或探测更小、更深的地貌”奠定了基础。鉴于主要的考古发现是从停车场地下挖掘出来的，而城市基础设施对于传统的传感方法来说往往过于复杂，这项新的成就可能会提供一种更高效和有效的方法来检查无法进入的空间。

该设备在伯明翰街道下的隧道中进行了测试，大约有洗衣机那么大。

研究人员开发了一系列工具来绘制地下空间的地图，而无需对其进行物理挖掘，重力传感器有可能更深入地观察地球，并评估更广泛的环境，如古墓、矿井或含水层。这些传感器操纵原子的量子特性来测量重力场的微小变化，这种技术可以揭示城市地下区域的轮廓。

然而，这些仪器非常敏感，它们能捕捉到所有影响现实世界环境的杂乱振动，比如风、人们走路或建筑项目。这些振动干扰了传感器观察隐藏空间所依赖的重力信号，在研究人员试图从噪声中提取正确的信号时，需要很长的数据收集和处理时间。

Holynski表示：“振动与所有重力传感器都有关系，不管它们有多敏感，也不管它们是如何制造的，我们都无法区分重力和振动。由于爱因斯坦的等效原理，这是不可能做到的。这是一个基本的物理定律。”

为了克服这个问题，Holynski、伯明翰大学基础设施监控教授Nicole Metje以及他们在英国国家量子技术传感器和计量中心的同事开发了一种梯度仪，由于利用了量子叠加现象，一个原子可以同时占据两个状态。

该团队的仪器向垂直间隔三英尺(0.91米)的冷原子云发射激光脉冲。这种初始触发促使其中一些原子进入叠加态，其中一个原子吸收了脉冲，产生了动量，而另一个没有。第二个脉冲使原子改变这些条件，使最初避开脉冲的原子现在吸收脉冲，反之亦然，第三个脉冲使原子回到初始状态。

这种方法被称为原子干涉测量法，允许研究人员测量原子轨迹之间的差异，从而揭示了它们下方质量重力场的微小变化。

由于两团原子云在同一时间被激光脉冲激发，它们会遇到相同的振动噪声，但记录了不同的重力信号，因为它们处于不同的高度，这使研究人员能够从振动反馈中分离出重力数据。

a.重力梯度数据，当包括模型不确定性(蓝色散射)、1σ(深蓝色阴影)和2σ(浅蓝色阴影)可信区间带以及场地模型(虚线)时，具有标准误差(黑色散射)和总推断不确定性。b.显示隧道的尺寸和位置以及对重力信号的主要影响的现场比例示意图。坐标原点(红点)在垂直方向上由勘测线上的最低点确定，在水平方向上由隧道中心的预期位置确定。c.从重力梯度仪数据推断的POE即挖掘概率(蓝色等高线)和预期隧道位置(虚线)。d.通过转移推断过程的焦点，使用隧道几何的假定知识和梯度仪数据推断，获得土壤密度的估计，显示68%的最高密度区间(HDI)。

Holynski表示：“它的优点是，如果我拿一个传统的重力传感器，即使我把它的灵敏度提高10倍、100倍或1000倍，它仍然会受到振动的限制。但有了我们现在制造的传感器，如果我们把仪器的灵敏度提高10到10万倍，我们实际上可以更快地测量和观察事物。”

该团队表示，这是世界上第一个在实验室条件之外应用的量子重力梯度仪。该仪器是根据英国国防部的合同开发的，并获得了英国研究与创新中心(UKRI)重力先锋项目的资助，用于寻找埋在地面以下一米的现实世界条件下的隧道。

这一成功开辟了一条商业道路，大大改善了对地下物质的测绘。这将意味着：

● 降低建筑、铁路和公路项目的成本和延误。

● 改进对火山爆发等自然现象的预测。

● 发现隐藏的自然资源和建筑结构。

● 在不破坏挖掘的情况下理解考古秘密。

在不确定性水平为20 E的情况下，在一个区域内使用0.5米空间分辨率的未来重力制图。

伯明翰大学冷原子物理系主任、量子技术传感器和计量中心首席研究员Kai Bongs说：“一张目前看不见的地下地图现在又向前迈进了一大步，结束了我们对南极洲的了解比我们街道下几英尺处的东西还多的局面。”

这一突破将使未来的重力测量变得更便宜、更可靠，交付速度提高10倍，并将测量所需的时间从一个月减少到几天。它有可能为重力测量带来一系列新的应用，为地下世界提供一个新的视角。

根据英国政府发布的量子报告，英国进行基础设施维护，需要每年花费50亿英镑在道路上挖400万个洞，之所以这么做竟然是因为人们不清楚地下设施的具体位置。而根据英国量子技术传感器和计量中心的最新视频，2013年至2030年，英国公共设施道路工程的预计累计总成本为3190亿英镑。

理论上，利用量子重力传感器，英国政府有望每年节省50亿英镑道路维修成本。

RSK公司地球科学和工程总监George Tuckwell教授说：“对矿山、隧道和不稳定地面等地面条件的探测，对我们设计、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能会改变我们绘制地图和交付这些项目的方式”

量子传感联合项目技术权威、英国国防科学技术实验室(Dstl)高级首席科学家Gareth Brown博士说：“对于国防和安全来说，精确、快速地测量微重力的变化为探测原本无法探测到的物体和在充满挑战的环境中更安全地导航提供了新的机会。随着重力感应技术的成熟，水下导航和揭示地下情况的应用将成为可能。”

这项突破是伯明翰大学、可持续发展解决方案提供商RSK、Dstl和技术公司Teledyne e2v之间的合作。

参考链接：

[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

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