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一項新的研究表明，一個由物理學(xué)家和工程師組成的團隊已經(jīng)對一種量子傳感器進行了實地測驗，該傳感器可以利用控制原子和重力的物理學(xué)原理探測地下結(jié)構(gòu)。

這種被稱為量子重力梯度儀的傳感器之前已經(jīng)在實驗室條件下成功測試過，但新的研究報告了該儀器在實際戶外環(huán)境中的首次演示，這一突破為考古、導(dǎo)航、城市規(guī)劃和防災(zāi)等領(lǐng)域的大量改進的傳感應(yīng)用鋪平了道路。

由英國伯明翰大學(xué)冷原子研究小組的物理學(xué)家和高級講師Michael Holynski領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開發(fā)了一種新型梯度儀，可以探測到伯明翰一條道路下三英尺深的隧道，這正是過去破壞量子傳感器實際性能的那種嘈雜的振動環(huán)境。

該團隊在2月23日發(fā)表在《自然》[1]雜志上的論文表明，里程碑式的探測的成功打開了“進入地下的新窗口”，并為地下位置“更快地繪制或探測更小、更深的地貌”奠定了基礎(chǔ)。鑒于主要的考古發(fā)現(xiàn)是從停車場地下挖掘出來的，而城市基礎(chǔ)設(shè)施對于傳統(tǒng)的傳感方法來說往往過于復(fù)雜，這項新的成就可能會提供一種更高效和有效的方法來檢查無法進入的空間。

該設(shè)備在伯明翰街道下的隧道中進行了測試，大約有洗衣機那么大。

克服愛因斯坦的等效原理

研究人員開發(fā)了一系列工具來繪制地下空間的地圖，而無需對其進行物理挖掘，重力傳感器有可能更深入地觀察地球，并評估更廣泛的環(huán)境，如古墓、礦井或含水層。這些傳感器操縱原子的量子特性來測量重力場的微小變化，這種技術(shù)可以揭示城市地下區(qū)域的輪廓。

然而，這些儀器非常敏感，它們能捕捉到所有影響現(xiàn)實世界環(huán)境的雜亂振動，比如風(fēng)、人們走路或建筑項目。這些振動干擾了傳感器觀察隱藏空間所依賴的重力信號，在研究人員試圖從噪聲中提取正確的信號時，需要很長的數(shù)據(jù)收集和處理時間。

Holynski表示：“振動與所有重力傳感器都有關(guān)系，不管它們有多敏感，也不管它們是如何制造的，我們都無法區(qū)分重力和振動。由于愛因斯坦的等效原理，這是不可能做到的。這是一個基本的物理定律。”

為了克服這個問題，Holynski、伯明翰大學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控教授Nicole Metje以及他們在英國國家量子技術(shù)傳感器和計量中心的同事開發(fā)了一種梯度儀，由于利用了量子疊加現(xiàn)象，一個原子可以同時占據(jù)兩個狀態(tài)。

該團隊的儀器向垂直間隔三英尺(0.91米)的冷原子云發(fā)射激光脈沖。這種初始觸發(fā)促使其中一些原子進入疊加態(tài)，其中一個原子吸收了脈沖，產(chǎn)生了動量，而另一個沒有。第二個脈沖使原子改變這些條件，使最初避開脈沖的原子現(xiàn)在吸收脈沖，反之亦然，第三個脈沖使原子回到初始狀態(tài)。

這種方法被稱為原子干涉測量法，允許研究人員測量原子軌跡之間的差異，從而揭示了它們下方質(zhì)量重力場的微小變化。

由于兩團原子云在同一時間被激光脈沖激發(fā)，它們會遇到相同的振動噪聲，但記錄了不同的重力信號，因為它們處于不同的高度，這使研究人員能夠從振動反饋中分離出重力數(shù)據(jù)。

a.重力梯度數(shù)據(jù)，當(dāng)包括模型不確定性(藍色散射)、1σ(深藍色陰影)和2σ(淺藍色陰影)可信區(qū)間帶以及場地模型(虛線)時，具有標準誤差(黑色散射)和總推斷不確定性。b.顯示隧道的尺寸和位置以及對重力信號的主要影響的現(xiàn)場比例示意圖。坐標原點(紅點)在垂直方向上由勘測線上的最低點確定，在水平方向上由隧道中心的預(yù)期位置確定。c.從重力梯度儀數(shù)據(jù)推斷的POE即挖掘概率(藍色等高線)和預(yù)期隧道位置(虛線)。d.通過轉(zhuǎn)移推斷過程的焦點，使用隧道幾何的假定知識和梯度儀數(shù)據(jù)推斷，獲得土壤密度的估計，顯示68%的最高密度區(qū)間(HDI)。

Holynski表示：“它的優(yōu)點是，如果我拿一個傳統(tǒng)的重力傳感器，即使我把它的靈敏度提高10倍、100倍或1000倍，它仍然會受到振動的限制。但有了我們現(xiàn)在制造的傳感器，如果我們把儀器的靈敏度提高10到10萬倍，我們實際上可以更快地測量和觀察事物。”

開辟了一條商業(yè)道路

該團隊表示，這是世界上第一個在實驗室條件之外應(yīng)用的量子重力梯度儀。該儀器是根據(jù)英國國防部的合同開發(fā)的，并獲得了英國研究與創(chuàng)新中心(UKRI)重力先鋒項目的資助，用于尋找埋在地面以下一米的現(xiàn)實世界條件下的隧道。

這一成功開辟了一條商業(yè)道路，大大改善了對地下物質(zhì)的測繪。這將意味著：

● 降低建筑、鐵路和公路項目的成本和延誤。

● 改進對火山爆發(fā)等自然現(xiàn)象的預(yù)測。

● 發(fā)現(xiàn)隱藏的自然資源和建筑結(jié)構(gòu)。

● 在不破壞挖掘的情況下理解考古秘密。

在不確定性水平為20 E的情況下，在一個區(qū)域內(nèi)使用0.5米空間分辨率的未來重力制圖。

伯明翰大學(xué)冷原子物理系主任、量子技術(shù)傳感器和計量中心首席研究員Kai Bongs說：“一張目前看不見的地下地圖現(xiàn)在又向前邁進了一大步，結(jié)束了我們對南極洲的了解比我們街道下幾英尺處的東西還多的局面。”

這一突破將使未來的重力測量變得更便宜、更可靠，交付速度提高10倍，并將測量所需的時間從一個月減少到幾天。它有可能為重力測量帶來一系列新的應(yīng)用，為地下世界提供一個新的視角。

根據(jù)英國政府發(fā)布的量子報告，英國進行基礎(chǔ)設(shè)施維護，需要每年花費50億英鎊在道路上挖400萬個洞，之所以這么做竟然是因為人們不清楚地下設(shè)施的具體位置。而根據(jù)英國量子技術(shù)傳感器和計量中心的最新視頻，2013年至2030年，英國公共設(shè)施道路工程的預(yù)計累計總成本為3190億英鎊。

理論上，利用量子重力傳感器，英國政府有望每年節(jié)省50億英鎊道路維修成本。

RSK公司地球科學(xué)和工程總監(jiān)George Tuckwell教授說：“對礦山、隧道和不穩(wěn)定地面等地面條件的探測，對我們設(shè)計、建造和維護住房、工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施的能力至關(guān)重要。這項新技術(shù)所代表的改進能力可能會改變我們繪制地圖和交付這些項目的方式”

量子傳感聯(lián)合項目技術(shù)權(quán)威、英國國防科學(xué)技術(shù)實驗室(Dstl)高級首席科學(xué)家Gareth Brown博士說：“對于國防和安全來說，精確、快速地測量微重力的變化為探測原本無法探測到的物體和在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中更安全地導(dǎo)航提供了新的機會。隨著重力感應(yīng)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。”

這項突破是伯明翰大學(xué)、可持續(xù)發(fā)展解決方案提供商RSK、Dstl和技術(shù)公司Teledyne e2v之間的合作。

參考鏈接：

[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