近日，世界上首臺非實驗室條件下的量子重力梯度儀問世，這一“走出實驗室”的重大成果為人類探索“地下世界地圖”鋪平了道路。

“為通往腳下世界開了一扇窗”

英國量子技術傳感器與計時中心、英國伯明翰大學研究人員展示了世界上首個可以在現(xiàn)實世界中有效工作的量子重力儀，它能夠在實驗室條件以外探測地下結(jié)構(gòu)，為人類探索腳下的世界打開了一扇窗戶。相關研究成果發(fā)表于2月23日的《自然》期刊。

“沙漏式”量子重力梯度儀

量子重力梯度儀是依據(jù)與英國國防部的合同，以及國家科研與創(chuàng)新署(UKRI)資助的重力先驅(qū)項目開發(fā)的，也是英國國家量子技術計劃的一部分。研究團隊利用該儀器，通過探測與管道相關的微重力變化，發(fā)現(xiàn)了一個埋在地下的隧道，該隧道承載著公用管道，在路面下約一米的位置。

能夠利用量子技術傳感器，尋找到隱藏在地下的物體，是科學界期待已久的里程碑。這對業(yè)界、國家安全，乃至人類知識的拓展都有著深遠的影響。

先前的重力傳感器受到一系列環(huán)境因素的限制。一個特別的挑戰(zhàn)是振動因素，它限制了所有應用于測量的重力傳感器的測量時間。如果能夠解決這些限制，那么探測將變得更快速全面、成本更低。

Michael Holynski博士及其團隊開發(fā)了現(xiàn)今的重力梯度儀。他是伯明翰大學原子干涉術負責人，也是這項研究的主要作者。為了成功應用量子技術，該重力梯度儀系統(tǒng)克服了振動和其它環(huán)境挑戰(zhàn)。

該儀器“走出實驗室”的成功探測則是由上述團隊與工程學院教授Nicole Metje領導的土木工程師團隊合作完成的。

這一突破將使未來的重力測量更實惠、更可靠、傳輸速度快上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用領域，為人類深入地下提供一個新的視角。

量子技術如何解釋地下世界的圖示（上層為量子傳感器未來可探測到的圖像，中層為地面上的世界，下層為由量子傳感器揭示的“地下世界”），圖片來自論文

傳感領域的“愛迪生時刻”

“這是傳感領域的‘愛迪生時刻’，將改變社會、人類的理解和經(jīng)濟?！庇骱泊髮W冷原子物理學主任、英國量子技術傳感器與計時中心首席研究員Kai Bongs教授說道。

這臺量子重力儀將開啟一條商業(yè)道路，大大改善人類對地下物質(zhì)的測繪工作。這將意味著，未來人類可以減少建設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)象的預測，發(fā)現(xiàn)隱藏的自然資源和建筑結(jié)構(gòu)，以及在不破壞挖掘的前提下了解考古奧秘等等。

“有了這項突破，我們有可能在探索、建造和修復的過程中，結(jié)束（此前）糟糕的記錄和對運氣的依賴?！盞ai Bongs教授解釋，“此外，一張看不見的地下地圖現(xiàn)在離我們更近了一步，終于結(jié)束了這樣一種局面，即我們對南極洲的了解比我們腳下幾英尺的地方還多?！?

建筑和基礎設施項目將是量子重力儀的一個關鍵應用?！疤綔y礦井、隧道和不穩(wěn)定的地面等地表條件，對我們設計、建造和維護房屋、工業(yè)和基礎設施至關重要。這項新技術所代表的改進能力可以改變我們測繪地面和交付這些項目的方式?！盧SK地球科學與工程主任George Tuckwell教授說道。

國防部也參與了這一研究。“對于國防和安全來說，精確和快速的測量微重力變化，為探測其它（之前）無法探測到的物體，以及在挑戰(zhàn)性的環(huán)境中更安全地導航，開辟了嶄新的機會?！庇鴩揽茖W與技術實驗室(Dstl)高級首席科學家Gareth Brown說，“隨著重力傳感技術的成熟，水下導航和地下探測的應用將成為可能。”

可能受益于這項技術的領域?qū)脊艑W、水文學和農(nóng)業(yè)等。該儀器可以發(fā)現(xiàn)古墓和水道，并指示農(nóng)田土壤的狀況。

量子重力儀發(fā)現(xiàn)的地下隧道，圖片來自英國伯明翰大學

從“象牙塔”走向商業(yè)應用

該量子重力儀的工作原理是利用量子物理學原理，探測微重力的變化。

重力儀使用一種叫做原子干涉術的量子技術，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?shù)刂亓龅膹姸群吞荻取?

該儀器能夠測量原子云掉落時引力場拉力的細微變化。物體越大，物體與其周圍環(huán)境的密度差越大，可測量的拉力差就越大。

但原子干涉術，與所有量子技術一樣，對環(huán)境干擾非常敏感，特別是振動。而這些振動、儀器傾斜，以及磁場、熱場的環(huán)境干擾，使量子理論轉(zhuǎn)化到商業(yè)應用，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

伯明翰大學研究團隊最大的技術成就是使儀器具有足夠的適應性，能夠在道路或現(xiàn)場實際使用，而不僅僅是在實驗室中。伯明翰量子重力儀是第一個能夠滿足現(xiàn)實世界挑戰(zhàn)，并執(zhí)行高空間分辨率探測的儀器，極大改進了人類地質(zhì)地形圖的測繪工作。

“在學術環(huán)境下，我們已經(jīng)盡了最大努力，現(xiàn)在它必須向工業(yè)轉(zhuǎn)化?！盞ai Bongs教授認為，儀器在投放市場之前，必須做得更小、更靈活和更靈敏。

他表示，盡管伯明翰大學研究人員已經(jīng)與工業(yè)合作伙伴RSK和美國科技集團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)公司來利用這項研究。