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正如理论上量子计算机可以找到传统计算机无法解决的问题的答案，量子传感器也可以将灵敏度和准确度提高到一个新的水平。

在一项新的研究发现中，科学家们展示了他们研制的量子重力传感器（一种涉及超精密量子技术的重力传感器——更确切地说，是一种利用量子重力的传感器），这种传感器可以帮助测绘出埋藏在地下的特征，显示内容的精细化程度前所未有。

量子技术依赖于量子效应，而量子效应的出现是由于宇宙在微观世界里变得模糊。例如，叠加态的量子效应使得原子和宇宙的其他组成部分基本上可以同时向两个相反的方向旋转，或者同时存在于两个或更多的地方。通过将许多量子比特组成叠加态，量子计算机理论上可以同时进行巨量的计算。

就像量子计算机一样，量子传感器也因此对外界干扰非常敏感。然而，量子传感器也能够利用这种敏感来检测环境中的微小干扰，并在很多领域彰显其潜在应用价值，如医药、纳米技术、通信和卫星导航。

英国伯明翰大学的研究人员已经测试了一种便携式量子传感器，作为一种超精密的重力测量装置——在伯明翰附近的一个地质景点——普尔洞穴(Poole’s Cavern)的地下洞穴中进行测试 | 参考文献[1]

例如，在去年11月，英国和德国的科学家透露，他们的磁传感器可以协助非侵入性检测大脑活动中的磁场变化，这些变化由神经元激活时产生。这个装置中包含一种被激光照射的铷原子气体，当这些原子在磁场中经历变化时，它们会释放出不同的光。已经证明量子传感器可以比脑电图（Electroencephaloram, EEG）或功能磁共振成像扫描仪（Functioanl Magnetic Resonace Imaging scanner，fMRI scanner）更精确，时间和空间分辨率精确到毫秒和几毫米。这一传感器现在可以通过英国的 Cerca Magnetics 公司进行商业购买。

另一种很有前景的量子传感器则利用了钻石中的缺陷。完美的钻石是由纯碳组成的，但有时候钻石内部会存在少量氮原子，造成缺陷。这种“氮空位缺陷”在非常弱的磁场附近拥有能够吸收绿光并发射红光子的电子。科学家可以利用这一特性来帮助创建分子的3D 图像以便更好地进行分析，这在制药行业可能有潜在价值。

现在，英国的科学家已经开发出一种新的重力测绘量子传感器。他们说这种传感器能够在实验室外进行其他方法无法媲美的地下扫描测绘。他们在近期的《自然》杂志上详细阐述了他们的发现。

论文截图

任何有质量的东西都有一个引力场，可以吸引物体。场强度取决于物体的质量。由于地球的质量并不是均匀分布的，这意味着地球的引力在某些地方更强，而在另一些地方更弱。

几十年来，研究人员一直在分析地球引力场强度的变化，以绘制大规模的地质活动图，比如地表下翻腾的岩浆，冰川的融化，或者大地震等会使地球变形的活动。然而，使用这种以米为尺度的重力制图很具有挑战性，因为需要很长的测量时间来应对局部噪音，比如说附近交通活动引发的振动噪音。

“我们的是第一个真正在室外工作的，它居然敏感到能找到隧道的程度。”伯明翰大学的Kai Bongs介绍道。

该小组的新重力传感器使用了大约1亿个铷原子组成的云，将它们冷却到比绝对零度高出百万分之二到三摄氏度时，传感器通过分析铷原子云下落的速度推断出地球引力的局部强度。

这个激光原子阱包含了一个过冷的铷原子云，可以对它们的重力位移进行超精确的测量，为该设备的探地雷达传感奠定了基础 | 参考文献[1]

具体来说，激光脉冲驱动原子进入叠加态，两种形式的原子沿着略微不同的轨迹下落。这些薛定谔的猫状态的原子随即会被重新组合。然后，由于波粒二象性（粒子可以像波一样行动，反之亦然的量子现象），这些原子量子力学地相互干涉，它们的波峰和波谷相互增强或抑制。分析这种干涉的性质可以揭示出在它们分离的路径上感受到的微妙的引力作用差异。

传感器采用沙漏配置，设备的每一半都有一团铷原子云，垂直分隔1米。因此，该传感器可以在同一地点的两个不同高度上测量地球重力的强度。通过比较这些铷原子云的数据，研究人员可以解释各种各样的噪音来源，如振动、热场和磁场的变化、激光的随机性以及传感器的倾斜。

在实验中，该传感器可以探测到埋在英国伯明翰市两座多层建筑物之间的路面下约0.5米的2 × 2米的公用隧道。它可以在15分钟内收集10个数据点。

“我们团队开发的沙漏装置是一个飞跃，并最终促成了这一先进的测绘技术。”研究的共同资深作者，伯明翰大学的量子物理学家凯·邦斯（Kai Bongs ）解释道。

佛罗伦萨大学（University of Florence）的实验物理学家尼古拉·波利（Nicola Poli）在对这项新研究的评论中说，这种新设备的灵敏度大约是目前报道的最好的重力量子传感器的三十分之一。然而，未参与这项新研究的波利（Poli） 指出，这种新设备的优点在于它能在实验室外的真实环境中发挥作用。

“这种量子技术之前已经在世界各地的实验室得到了验证，但这些仪器不适合在户外运行，容易受到环境影响,”邦斯（Bongs）说，“我们的是第一个真正在室外工作的，而且仍然足够敏感，可以找到隧道。”

背包大小的重力传感器 | 参考文献[1]

这种传感器有很多潜在的应用价值。在土木工程中，它可以看到隐藏的地下结构，如隧道、矿井和天坑，以减少施工风险。在采矿业，它可以帮助发现地下自然资源。在考古学中，它可以在不破坏挖掘的情况下发现地下的秘密。它还可以帮助监测岩浆在火山下的流动，以警告潜在的火山爆发和地下水水位和流动，以帮助改善洪水模型。

班格斯（Bongs）指出，这种传感器还不能创建特别精细的图像，例如，检测在房子里的人。由于分辨率太低，这一点尚且无法做到。

科学家们现在正在开发一种背包大小的量子重力传感器，可以在移动平台上使用。研究人员设想，他们的设备最初将被用于一种“停停走走”的测绘方式，即停下来测量一个点的地球引力，然后移动到邻近的一个点。进一步的发展趋势可能会使重力制图与传感器“在一个不断移动的平台上。”邦斯（Bongs）说。

参考文献

[1] https://spectrum.ieee.org/quantum-sensors-gravity-birmingham

编译：绿洲

编辑：酥鱼

排版：尹宁流

题图来源：《夺宝奇兵》

论文信息

发布杂志《自然》Nature

发布时间2022年2月23日

论文标题

Quantum sensing for gravity cartography

（DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04315-3）