布局空间传感，NASA再设量子研究所

光子盒研究院出品

新技术是帮助 NASA 推进其长期探索目标以造福所有人的关键。为了支持其努力，该机构周四宣布将创建两个新研究所，以开发工程和气候研究关键领域的技术。

两个新的空间技术研究所(STRI) 将利用由美国大学领导的团队来创建对 NASA 的未来至关重要的多学科研究和技术开发计划。通过汇集来自大学、工业界和非营利组织的科学、工程和其他学科，这些研究所旨在通过对早期技术的投资来影响未来的航空航天能力。

其中一个研究机构将专注于支持气候研究的量子传感技术。另一个将致力于提高理解并帮助实现对使用先进制造技术制造的金属零件的快速认证。

“我们很高兴能够利用这些多所大学团队的专业知识来为我们的一些最紧迫的需求创造技术，”华盛顿 NASA 总部该机构空间技术任务理事会的副主任 Jim Reuter 说。“他们的工作将使下一代科学能够研究我们的家园星球，并通过最先进的建模扩大 3D 打印金属部件在航天飞行中的应用。”

每个研究所将在五年内获得高达 1500 万美元的资金。

德克萨斯大学奥斯汀分校将领导量子通路研究所(Quantum Pathways Institute)，专注于为下一代地球科学应用推进量子传感技术。这种技术将使我们对地球和气候变化的影响有新的认识。

量子传感器使用量子物理原理来收集更精确的数据并实现前所未有的科学测量。这些传感器对于地球轨道上的卫星收集质量变化数据特别有用——一种可以告诉科学家冰、海洋和陆地水是如何移动和变化的测量。尽管量子传感器的基本物理学和技术已经在概念上得到验证，但仍需要努力开发能够满足航天飞行任务中下一代科学需求所需精度的量子传感器。

“量子传感方法在计算、通信以及现在的地球科学遥感应用方面显示出巨大的前景，”该研究所首席研究员、德克萨斯大学航空航天工程和工程力学教授 Srinivas Bettadpur 博士说。“我们的目的是推进这项技术，并尽快为太空做好准备。”

该研究所将致力于进一步推进量子传感器背后的物理学，设计如何为太空任务建造这些传感器，并了解任务设计和系统工程需要如何适应这项新技术。

该研究所的合作伙伴包括科罗拉多大学博尔德分校、加州大学圣巴巴拉分校、加州理工学院和国家标准技术研究院。

佩里托莫雷诺冰川，此次推进量子传感技术，以改进轨道上的质量变化测量，这将帮助科学家了解冰川的运动地球表面的冰和水

JILA（由 NIST 为了资助这项工作，美国国家航空航天局已向大学集团拨款 1500 万美元，为期五年。和科罗拉多大学博尔德分校设立的世界领先的物理研究所）是为外层空间构建基于量子的工具的多所大学研究小组的一部分。这些工具将有助于观察外部环境中的原子相互作用。该队列包括来自德克萨斯大学奥斯汀分校、JILA、科罗拉多大学博尔德分校 (CU)、加州大学圣塔芭芭拉分校 (USCB)、加州理工学院 (CalTech) 和美国国家标准与技术研究院的研究人员技术（美国国家标准与技术研究院）。

“该奖项建立了量子通路研究所，由美国宇航局 STRI（空间技术研究所）支持，由德克萨斯大学奥斯汀分校的 Srinivas Bettadpur 教授领导，得克萨斯州，CU 和 UCSB 作为合作机构，”参与该项目的 JILA 研究员和 CU Boulder 教授 Dana Anderson 解释说。Quantum Pathways Institute 是同类机构中的第一个，因为它致力于将量子物理学的能力转化为称为“Quantum 2.0”的可用设备。除了这些发展，该研究所还将为研究生和博士后提供量子理论和量子实验方面的教育培训。

从左到右，JILA 实验室的研究人员 Murray Holland、Catie Ledesma、Kendall Mehling、Liang-Ying 和 Dana Anderson。（图片来源：Dana Anderson）

该项目“将专注于量子传感的概念，其中涉及观察原子如何对其环境的微小变化做出反应，并利用它来推断地球重力场的时间变化，”德克萨斯大学的传播者 Nat Levy 在最近的一篇文章中解释道。公告。“这将使科学家能够提高测量几个重要气候过程的准确度，例如海平面上升、冰融化速度、陆地水资源变化和海洋蓄热变化。”

对于 JILA，JILA 研究员 Murray Holland 和 Dana Anderson 正在与科罗拉多大学的研究人员 Penny Axelrad、Marco Nicotra 和 NIST 研究员 Michelle Stephens 合作。“JILA 的贡献反映了其在精密测量、AMO 和量子物理学方面的悠久历史，”Holland 解释说。“与这里的 EECE 和航空航天部门合作，最近的努力将 JILA 的量子科学专业知识与现代机器学习和控制方法相结合，以应对复杂量子硬件设计面临的挑战。在这里和其他地方的工作已经证明了这些方法在优化量子传感器的设计和控制方面的潜力，超出了迄今为止任何人所取得的成就。”

为了将机器学习与量子科学结合起来，研究人员将利用多层次实验。其中一项实验包括一个干涉仪，该干涉仪可以测量引力波与振动光学晶格的结合。晶格可以测量原子行为的微小变化，转化为引力波的变化。“我们的努力建立在使用超冷原子的著名 JILA 光学晶格时钟技术的基础上，但这里应用于极端惯性传感能力而不是计时，”Holland 阐述道。这使得整个设备作为一种量子传感器很有用。Anderson 补充说：“CU 的作用是开发传感器仪器以及相关硬件；实验硬件系统以及相关的测试台将放置在 JILA 内。”

这些引力变化不仅有助于检测可能发生的地震或其他自然灾害，还可以用于气候监测。“随着气候变化——冰盖融化、海平面和温度发生变化——这会改变地球周围和外层空间的引力，”利维在德克萨斯大学的公告中说。“绕地球运行的原子会对这些引力变化做出反应。通过测量这些反应，研究人员可以更好地了解气候过程的变化。”

这笔赠款的授予只会增加 JILA 和 CU Boulder 作为世界领先的量子物理研究机构的声誉。这些系统中的其他组织，例如 CUbit Quantum Initiative，也帮助丰富了这个生态系统，并提供了推动量子物理学前沿的独家机会。

但团队面临的挑战是双重的。这些传感技术的一部分今天已经存在，但他们正在构建的很多东西都是新的。再加上将这些仪器送入轨道的挑战。

“你不能在太空中进行人工维护——一旦你把东西送出去，它就遥不可及；你看不到它，”美国宇航局研究所负责人、UT 奥斯汀分校的 Srinivas Bettadpur 说。“你必须投入大量工作来确保仪器能够飞行并且技术能够运行数年，至少，以实现这些发现。”

参考链接：

[1]https://www.nasa.gov/press-release/nasa-awards-advance-3d-printing-quantum-tech-for-climate-research

[2]https://jila.colorado.edu/news-events/news/nasa-awards-grant-group-quantum-institutes-including-jila-and-university-colorado

[3]https://www.colorado.edu/today/2023/03/16/new-nasa-grant-support-quantum-sensors-space

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