為了在地球表面下繪制地圖，研究人員利用利用冷原子量子傳感的重力梯度計(jì)創(chuàng)建了一個(gè)量子重力制圖傳感器。

除了量子計(jì)算，量子傳感是工程師一直致力于將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的另一項(xiàng)重要的未來量子技術(shù)。 

在過去的幾年里，關(guān)于量子傳感器的研究來自多個(gè)機(jī)構(gòu)，它們利用不同的技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

然而，最近，量子重力梯度儀已成為流行的量子傳感器研究課題。 

重力梯度法概述。圖片由 大衛(wèi)杰克遜提供

重力梯度測量，或以重力梯度的形式檢測和觀察地球引力場差異的研究，是一種大地測量學(xué)方法，主要用于自然資源的開發(fā)和導(dǎo)航以及對(duì)地下和海底物體的導(dǎo)航測量。

本文重點(diǎn)介紹伯明翰大學(xué)的一項(xiàng)新研究，該研究應(yīng)用冷原子量子傳感技術(shù)開發(fā)了一種先進(jìn)的重力梯度測量技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)該比其電子技術(shù)更強(qiáng)大。

伯明翰大學(xué)的量子梯度研究

量子重力梯度測量的最新進(jìn)展來自伯明翰大學(xué)的一組研究人員。 

作為與英國國防部簽訂合同的Gravity Pioneer 項(xiàng)目的一部分，這項(xiàng)研究旨在將量子重力感應(yīng)帶出實(shí)驗(yàn)室并進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，由邁克爾霍林斯基博士領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用了冷原子云的特性。通過實(shí)施由垂直基線隔開的兩個(gè)原子云的“沙漏”配置，該團(tuán)隊(duì)測量了當(dāng)兩個(gè)原子云掉落時(shí)引力場的拉力的輕微變化。 

沙漏梯度計(jì)的渲染。圖片由Stray 等人提供

這種能力是可能的，因?yàn)楫?dāng)?shù)叵挛矬w較大時(shí)，物體的密度與其周圍環(huán)境之間的差異更為顯著。然后可以通過重力梯度傳感技術(shù)觀察和測量這種差異。

本實(shí)驗(yàn)中使用的特殊技術(shù)使用基于激光的特殊儀器將原子云冷卻到只有幾百納開爾文，這使傳感器具有“量子”性質(zhì)。 

將原子冷卻到接近絕對(duì)零的溫度揭示了它們的波浪狀特征。量子力學(xué)定律取代了經(jīng)典物理學(xué)定律，使科學(xué)家能夠在實(shí)驗(yàn)中利用原子的量子粒子特性。 

從這個(gè)傳感器進(jìn)行測量是基于稱為干涉測量的科學(xué)方法，其中疊加波的干涉（在這種情況下，兩個(gè)原子云的“沙漏”配置）用于提取一些信息，在這種情況下，重力梯度. 

盡管用于重力梯度映射的原子干涉測量法并不是一個(gè)新想法，早在 1980 年代后期就已被提議用于傳感器的開發(fā)，但這是第一項(xiàng)在實(shí)驗(yàn)室外成功進(jìn)行實(shí)際測量的研究，具有潛力成為未來的商業(yè)產(chǎn)品。

據(jù)伯明翰大學(xué)的研究人員稱，通過使用他們的技術(shù)，他們能夠成功消除以下影響： 

• 微震和振動(dòng)噪聲

• 熱和磁場變化 

• 儀器傾斜

通過發(fā)現(xiàn)這些特征的影響，他們的傳感器聲稱優(yōu)于電子傳感器，因?yàn)槊看巫x取之間的時(shí)間更短，空間分辨率更高。

重力梯度測量和量子傳感器的未來

毫無疑問，量子傳感器正逐漸成為主流技術(shù)。來自伯明翰大學(xué)甚至美國宇航局等機(jī)構(gòu)的每一項(xiàng)與量子相關(guān)的研究都 表明，通過利用粒子的量子性質(zhì)并將其用于我們的優(yōu)勢，未來可能會(huì)發(fā)生什么。

此外，在本研究中，地質(zhì)調(diào)查在電子、電氣和土木工程等行業(yè)的現(xiàn)有技術(shù)的制造、建造和燃料供應(yīng)方面尤為重要。 

許多科學(xué)領(lǐng)域也嚴(yán)重依賴這些地理方法，可以深入了解地球表面之下、海洋深處以及大氣層本身。

作為這樣一種方法，重力梯度測量通過縮短測量時(shí)間和降低公司和研究人員進(jìn)入的財(cái)務(wù)壁壘，在改善這些領(lǐng)域和行業(yè)方面具有很大的潛力。

這就是為什么解決電子重力梯度傳感器面臨的挑戰(zhàn)，特別是通過在量子領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新，可以導(dǎo)致： 

• 更安全的自然資源挖掘方法

• 通過更高效的城市規(guī)劃更安全、更快地建設(shè)

• 更好的海洋和空中航行

• 海嘯和火山爆發(fā)等自然災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)

• 總而言之，傳感技術(shù)的研究和改進(jìn)是邁向未來的關(guān)鍵。