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編輯：袁榭

【新智元導(dǎo)讀】2022年2月24日，英國研究者宣布成功發(fā)明了全球首個能在現(xiàn)實世界中可靠工作的量子重力梯度儀。不用開挖就能清晰測繪地下的未來不遠(yuǎn)了。

量子技術(shù)的突破性進(jìn)展，為人類便捷地探索地下世界打開了新的途徑。

2022年2月，伯明翰大學(xué)的研究人員與行業(yè)伙伴合作，展示了全球第一個可以在現(xiàn)實世界中可靠工作的量子重力梯度儀，它可以在被嚴(yán)格控制的實驗室條件之外探測地下結(jié)構(gòu)。

技術(shù)背景

英國伯明翰大學(xué)研究者邁克爾·霍林斯基(Michael Holynski)的團(tuán)隊研發(fā)出了一款基于量子傳感器的重力梯度儀。2月24日，相關(guān)成果在《自然》雜志上刊出。

重力在世間萬物中存在。研究者通過測量地球上的重力場數(shù)據(jù)，可確定地球內(nèi)部巖石圈的結(jié)構(gòu)、密度等。

傳統(tǒng)的獲取地球上重力場數(shù)據(jù)方法，使用經(jīng)典重力儀。經(jīng)典重力儀本質(zhì)是個高度靈敏的彈簧秤，「彈簧系統(tǒng)」會隨重力變化產(chǎn)生位移。研究者通過觀測位移，來測定重力變化。

不消說，這種測量方式耗時費力，單個數(shù)據(jù)點測量需要幾十分鐘，測量精度也難有改善。

而利用量子特性進(jìn)行重力測量是種替代思路，在20年多前，已有研究者用原子干涉儀進(jìn)行重力場測量實驗。

不過，振動、儀器傾斜以及磁場和熱場的干擾，這些環(huán)境因素的限制使得量子理論轉(zhuǎn)化為可行儀器變得艱難。

尤其是振動，限制了幾乎所有類型重力儀的測量時間。如果能夠解決這些障礙，測量就可以變得更快、更全面、成本更低。

比如被應(yīng)用于地球物理測量的機(jī)電重力儀，要在建筑工地等以米作為測量尺度的場景中應(yīng)用，就需要很長的測量時間來消除局部地震噪聲或振動(如經(jīng)過的車輛或其他地下結(jié)構(gòu)的共振)，因而十分困難。

工作原理

伯明翰大學(xué)團(tuán)隊基于量子力學(xué)原理，研發(fā)出了一款更實用的重力梯度儀。

量子重力梯度儀的工作原理是在微觀層面，使用超冷原子、基于量子物理原理感應(yīng)微重力的變化，測量當(dāng)原子云落下時引力場拉力的細(xì)微變化。物體越大，其密度與周圍環(huán)境的差異越大，可測量的拉力差異就越大。

伯明翰大學(xué)團(tuán)隊研發(fā)出的重力梯度儀，并非直接探測重力場的絕對數(shù)據(jù)，而是探測重力梯度，即重力場強(qiáng)度在垂直方向上的變化率。這類測量方式能夠更好地抑制噪音效果，因此更靈敏地反映重力的局部變化。

據(jù)《自然》雜志報道，這款量子重力梯度儀采用沙漏結(jié)構(gòu)。利用該結(jié)構(gòu)，他們能對垂直間隔一米的兩個超冷銣原子云（銣?zhǔn)且环N金屬元素）進(jìn)行差分測量，從而獲取高精度數(shù)據(jù)。

測試基礎(chǔ)原理示意圖

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。

在無預(yù)設(shè)環(huán)境的實地試運行中，量子重力梯度儀克服了振動和其他各種環(huán)境限制。通過對微小引力信號的測量，量子重力梯度儀能夠無損地感應(yīng)到地表之下的情況。15分鐘內(nèi)，即可收集10個地點的重力梯度數(shù)據(jù)。

在應(yīng)用層面，利用該儀器，在英國伯明翰的城市環(huán)境中，該設(shè)備探測了兩棟多層建筑之間一條2米×2米的地下隧道。團(tuán)隊還在一條8.5米的街道路面下，探測到了一條橫截面積為2平方米的隧道。

實地測試概念圖

對該量子重力梯度儀進(jìn)行進(jìn)一步的科學(xué)改進(jìn)，包括使用大動量分光鏡，有可能使儀器的靈敏度進(jìn)一步提高10-100倍，從而能夠更快地繪制或檢測更小和更深的特征。預(yù)計在未來5-10年內(nèi)，這種性能將在未來商用的量子重力梯度儀中實現(xiàn)。

廣闊的未來應(yīng)用

伯明翰大學(xué)的量子重力梯度儀是全球第一個能夠滿足現(xiàn)實場景挑戰(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)地形圖的測繪工作效率。

此突破最大的技術(shù)成就是使儀器具有足夠的適應(yīng)性、能夠在道路或現(xiàn)場實際使用，而不僅僅是在實驗室中。

這一突破將使未來的各種地下和水下測量更便宜、更可靠，結(jié)果產(chǎn)出速度快10倍，測量時間將從一個月減少到幾天。它有可能為重力測量開辟一系列新的應(yīng)用領(lǐng)域，為地下空間開發(fā)提供一個新的視角。

街區(qū)實地測試照片

這一發(fā)現(xiàn)本身就不是單純的學(xué)術(shù)研究進(jìn)展，出發(fā)點就寄托在現(xiàn)實應(yīng)用上。

這項突破是由伯明翰大學(xué)、RSK（環(huán)境、工程和可持續(xù)性解決方案提供商）、Dstl（國防科學(xué)和技術(shù)實驗室，隸屬于英國國防部）和Teledyne e2v的多方合作取得的。該項目作為「英國國家量子技術(shù)計劃」的一部分，是由「英國研究與創(chuàng)新基金會」（UKRI）資助，并根據(jù)國防部的合同進(jìn)行的。

英國伯明翰大學(xué)冷原子物理學(xué)主任、英國量子技術(shù)傳感器與計時中心首席研究員Kai Bongs教授稱：「這是傳感領(lǐng)域的‘愛迪生時刻’，將改變社會、人類知識和經(jīng)濟(jì)?！?/p>

「有了這項突破，人類就可以在探索、建造和修復(fù)建筑和基礎(chǔ)設(shè)施時不再依靠糟糕的記錄和運氣。此外學(xué)界離目前還不可得的全域地下地圖測繪更近了一步，這將有效結(jié)束人類對腳下幾米深處的情況比對南極洲了解得還少的局面。」

能夠應(yīng)用此儀器的地下各層深度示意圖

城市工程師可利用量子重力梯度儀檢測一些特殊用地的近地表（地下10米）特征，這些特征可能會影響新的建筑，因此可利用其降低鐵路和公路項目的成本和延誤；

考古學(xué)家或可將量子重力梯度儀用于測繪墓穴和隱藏在地下的結(jié)構(gòu)，在不進(jìn)行破壞性掘地三尺的前提下了解地下遺址的狀況；

量子重力梯度儀還可用于測量地質(zhì)特征，例如含水層或土壤密度，以確定地域含水量或發(fā)現(xiàn)隱藏的礦藏資源；

量子重力梯度儀還能改進(jìn)對火山噴發(fā)等自然現(xiàn)象的預(yù)測。

街區(qū)實地測試照片

RSK地球科學(xué)與工程部主任George Tuckwell教授表示：「檢測礦山巷道、隧道和不穩(wěn)定地面等地表條件對設(shè)計、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。這項新技術(shù)所代表的改進(jìn)能力，可以改變我們繪制測繪全域地物圖、完成建筑項目的方式。」

量子傳感聯(lián)合項目技術(shù)主管、「英國國防科學(xué)和技術(shù)實驗室」（Dstl）高級首席科學(xué)家Gareth Brown博士說：「對于實地應(yīng)用而言，精確、快速的測量微重力的變化為檢測原本無法檢測到的物體、在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中更安全的導(dǎo)航提供了新的機(jī)會。隨著重力傳感技術(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?！?/p>

伯明翰大學(xué)研究團(tuán)隊稱，在儀器做到更小、更靈活和更靈敏，就會馬上投放市場。

盡管伯明翰大學(xué)研究人員已經(jīng)與合作伙伴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)公司來出售這項研究。

參考資料：

https://spectrum.ieee.org/quantum-sensors-gravity-birminghamhttps://www.nature.com/articles/s41586-021-04315-3https://phys.org/news/2022-02-sensor-breakthrough-paves-groundbreaking-world.html

標(biāo)簽： 地下世界 重力梯度儀