世界首台量子重力仪走出实验室，为人类打开“地下世界地图”

近日，世界上首台非实验室条件下的量子重力梯度仪问世，这一“走出实验室”的重大成果为人类探索“地下世界地图”铺平了道路。

“为通往脚下世界开了一扇窗”

英国量子技术传感器与计时中心、英国伯明翰大学研究人员展示了世界上首个可以在现实世界中有效工作的量子重力仪，它能够在实验室条件以外探测地下结构，为人类探索脚下的世界打开了一扇窗户。相关研究成果发表于2月23日的《自然》期刊。

图片来自《自然》期刊量子重力梯度仪是依据与英国国防部的合同，以及国家科研与创新署(UKRI)资助的重力先驱项目开发的，也是英国国家量子技术计划的一部分。研究团队利用该仪器，通过探测与管道相关的微重力变化，发现了一个埋在地下的隧道，该隧道承载着公用管道，在路面下约一米的位置。

能够利用量子技术传感器，寻找到隐藏在地下的物体，是科学界期待已久的里程碑。这对业界、国家安全，乃至人类知识的拓展都有着深远的影响。

先前的重力传感器受到一系列环境因素的限制。一个特别的挑战是振动因素，它限制了所有应用于测量的重力传感器的测量时间。如果能够解决这些限制，那么探测将变得更快速全面、成本更低。

Michael Holynski博士及其团队开发了现今的重力梯度仪。他是伯明翰大学原子干涉术负责人，也是这项研究的主要作者。为了成功应用量子技术，该重力梯度仪系统克服了振动和其它环境挑战。

该仪器“走出实验室”的成功探测则是由上述团队与工程学院教授Nicole Metje领导的土木工程师团队合作完成的。

这一突破将使未来的重力测量更实惠、更可靠、传输速度快上10倍，测量时间将从一个月减少到几天。它有可能为重力测量开辟一系列新的应用领域，为人类深入地下提供一个新的视角。

量子技术如何解释地下世界的图示（上层为量子传感器未来可探测到的图像，中层为地面上的世界，下层为由量子传感器揭示的“地下世界”），图片来自论文

传感领域的“爱迪生时刻”

“这是传感领域的‘爱迪生时刻’，将改变社会、人类的理解和经济。”英国伯明翰大学冷原子物理学主任、英国量子技术传感器与计时中心首席研究员Kai Bongs教授说道。

这台量子重力仪将开启一条商业道路，大大改善人类对地下物质的测绘工作。这将意味着，未来人类可以减少建设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，以及在不破坏挖掘的前提下了解考古奥秘等等。

“有了这项突破，我们有可能在探索、建造和修复的过程中，结束（此前）糟糕的记录和对运气的依赖。”Kai Bongs教授解释，“此外，一张看不见的地下地图现在离我们更近了一步，终于结束了这样一种局面，即我们对南极洲的了解比我们脚下几英尺的地方还多。”

建筑和基础设施项目将是量子重力仪的一个关键应用。“探测矿井、隧道和不稳定的地面等地表条件，对我们设计、建造和维护房屋、工业和基础设施至关重要。这项新技术所代表的改进能力可以改变我们测绘地面和交付这些项目的方式。”RSK地球科学与工程主任George Tuckwell教授说道。

国防部也参与了这一研究。“对于国防和安全来说，精确和快速的测量微重力变化，为探测其它（之前）无法探测到的物体，以及在挑战性的环境中更安全地导航，开辟了崭新的机会。”英国国防科学与技术实验室(Dstl)高级首席科学家Gareth Brown说，“随着重力传感技术的成熟，水下导航和地下探测的应用将成为可能。”

可能受益于这项技术的领域将包括考古学、水文学和农业等。该仪器可以发现古墓和水道，并指示农田土壤的状况。

量子重力仪发现的地下隧道，图片来自英国伯明翰大学

从“象牙塔”走向商业应用

该量子重力仪的工作原理是利用量子物理学原理，探测微重力的变化。

重力仪使用一种叫做原子干涉术的量子技术，超冷的铷原子在重力的影响下下落，被激光束照亮，由此产生的干涉图样取决于它们下落的速度，并且非常精确地表明了当地重力场的强度和梯度。

该仪器能够测量原子云掉落时引力场拉力的细微变化。物体越大，物体与其周围环境的密度差越大，可测量的拉力差就越大。

但原子干涉术，与所有量子技术一样，对环境干扰非常敏感，特别是振动。而这些振动、仪器倾斜，以及磁场、热场的环境干扰，使量子理论转化到商业应用，面临着巨大的挑战。

伯明翰大学研究团队最大的技术成就是使仪器具有足够的适应性，能够在道路或现场实际使用，而不仅仅是在实验室中。伯明翰量子重力仪是第一个能够满足现实世界挑战，并执行高空间分辨率探测的仪器，极大改进了人类地质地形图的测绘工作。

“在学术环境下，我们已经尽了最大努力，现在它必须向工业转化。”Kai Bongs教授认为，仪器在投放市场之前，必须做得更小、更灵活和更灵敏。

他表示，尽管伯明翰大学研究人员已经与工业合作伙伴RSK和美国科技集团Teledyne在英国的子公司Teledyne e2v讨论了该仪器的商业化途径，但他们也考虑成立自己的初创公司来利用这项研究。