应用突破：量子重力仪首次用于火山监测

光子盒研究院出品

此前收购了量子重力仪初创公司Muquans的法国高科技公司iXblue和意大利国家地质和火山研究所地震台网中心Etneo观察站（INGV-OE）的合作研究[1]实现了世界上第一次将量子重力仪用于对由火山活动引起的重力变化的探测：即使在其他技术无法使用的条件下，这种设备也可以提供高质量的数据。

近日，他们的工作成果以《用量子重力仪探测与火山相关的地下质量变化》为题[2]，发表在美国地球物理联盟（AGU）的同行评审期刊《地球物理研究快报》上。

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全球首例：使用原子干涉重力仪在活火山口获取时间序列

近年来，监测地下质量（无论是自然、还是工程），都变得越来越重要。场重力测量是量子技术的一个相对较新的应用领域，并且在功耗以及仪器的尺寸和可运输性方面都在不断改进。

地表以下发生的质量重新分布，例如当岩浆通过活火山的补给系统（feeding system）被移位时，可能会随着时间的推移引起重力的微小变化。测量这种变化需要高精度设备（例如重力仪）。然而，标准重力仪并不适合在恶劣的现场条件下使用，尤其是在以连续测量为目标的情况下。量子技术的最新进展使得可以在野外条件下成功运行的便携式重力仪的开发成为可能。因此，科学家展示了这种量子重力仪在世界上第一个用于监测和研究活火山的应用。

AQG被安装到火山口的照片。

 在埃特纳火山山顶火山口区域部署AQG。(a)埃特纳火山示意图，显示了天文台PDN、SLN和MNT的位置；(b)AQG的图片，传感器头的高度为100cm；(c)从斜坡到天文台的全景图；(d)穿过天文台并显示AQG安装配置的剖面（未按比例）。

埃特纳火山是世界上最活跃、监测最完善的火山之一，也一直是使用不同类型仪器进行微重力测量的场所。该设备部署在距离埃特纳火山（Mt.Etna，意大利）山顶活火山口仅2.5公里的地方，并提供了高质量的重力时间序列。对该时间序列的测量反映了大量火山过程的重力变化，包括埃特纳火山管道系统上部的岩浆和外溶气体。

该研究主要有以下几大关键突破：

• 展示了世界上第一个用绝对量子重力仪在活火山的山顶火山口区获得的时间序列；

• 尽管环境条件不利，但量子重力仪产生了高质量的数据，可以跟踪与火山相关的变化；

• 与其他重力仪数据的比较突出了埃特纳火山补给系统内体积质量重新分布引起的变化。

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火山环境险恶，仍采集到高质量数据

在由欧盟H2020计划资助的NEWTON-g项目框架内，由iXblue制造的绝对量子重力仪（AQG）得到了改进，使其适用于恶劣的环境条件下使用；并于2020年8月被安装在埃特纳火山的山顶活动区，以测试其作为火山监测仪器的潜力。从那时起，AQG进行了近乎连续的重力测量：iXblue和INGV-OE提供了一个为期四个月的重力数据时间序列。

 重力时间序列和小波相干分析。(a)来自PDN（2020年8月1日-12月3日）的重力时间序列；(b)来自SLN的重力时间序列；(c)面板(a和b)中的信号之间的小波相干性。

高相干阶段的重力时间序列和质量源深度的推导。

重力仪安装在距离埃特纳火山活火山口约2.5公里的地方。尽管测量时段内的环境条件极为不利（缺电、剧烈的温度变化、存在灰尘和腐蚀性火山气体）以及火山震颤很高，但还是产生了持续的高质量数据。

“安装在埃特纳火山山顶火山口区的AQG提供了一个重力时间序列，没有影响其他重力仪的仪器问题。即使在不利的环境条件下，它也有可能检测到不同时间尺度的微小重力变化，这反映了与火山相关的地下质量变化。”INGV-OE高级研究员、论文的合著者Daniele Carbone说。

地球引力场的变化可以揭示关于地下的有用信息：从隧道和洞穴的存在到地下水甚至岩浆的动态。iXblue公司的AQG是一种一站式（turnkey）、便携式且易于操作的量子传感器，能够使用“原子干涉测量”的量子技术来测量引力场的变化。使用接近绝对零度的激光冷却铷原子云作为测试质量，iXblue的AQG可以感知重力的微小变化。

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原子干涉测量：日趋成熟、应用广泛

此次实验成功演示了基于原子干涉测量的量子传感器，不仅为火山重力测量开辟了新视野，而且还为将重力方法应用于可能需要在恶劣环境中进行可靠现场测量的环境，例如地下水动力学研究，地热能系统和碳封存。

Vincent Menoret

iXblue量子传感器部门的研发经理Vincent Menoret解释说，“我们的AQG可以检测到地球重力的微小变化。iXblue与其合作伙伴获得的量子传感器开发的最新进展已经允许我们开发便携式重力仪，能够在现场条件下运行、操作，量子技术工业化即将成为现实。”

“这些结果证实了量子重力测量的操作可能性，并为重力测量在地球物理学中的应用开辟了新的视野。这一杰出成就也是冷原子技术成熟的一个明显体现，将在具有中性原子的量子计算领域、具有量子中继器的长距离量子通信领域产生更广泛的影响。”来自iXblue量子传感器部门、此篇论文合著者Jean Lautier-Gaud总结道。

参考链接：

https://www.ixblue.com/ixblue-and-the-national-institute-of-geophysics-and-volcanology-present-the-first-application-of-quantum-technology-to-volcano-monitoring-on-mount-etna/

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022GL097814

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