量子重力梯度仪重大突破，为测绘地球表面下的世界地图铺平了道路
2022-02-26 09:34:08   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

使用量子技术定位隐藏在地下的物体——这是一个科学家们期待已久的里程碑，对工业、人类认知和国家安全具有深远的影响。

据麦姆斯咨询报道，近日，由英国伯明翰大学（University of Birmingham）研究人员主导的一支研究团队在Nature期刊上报道了他们的最新成就。这是世界上第一台非实验室条件下的量子重力梯度仪。

图1 “沙漏式”量子重力梯度仪

该量子重力梯度仪是根据英国国防部的合同和英国研究与创新基金会（UKRI）资助的Gravity Pioneer项目开发的，该项目原本旨在探测埋在真实环境室外地表以下1米的隧道。

量子重力梯度仪的工作原理是利用量子物理原理检测微重力的变化，量子物理原理基于在亚分子尺度上操纵自然。

量子重力梯度仪的成功开辟了一条商业道路，以显著改善地下勘测。

这将意味着： - 减少建筑、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。 - 在不破坏挖掘的情况下了解考古奥秘。

伯明翰大学冷原子物理学负责人、英国量子传感和计时技术中心的首席研究员Kai Bongs教授说：“这是传感领域的‘爱迪生时刻’，它将改变社会、人类认知和经济。”

“有了这项突破，我们有可能在探索、建造和修复建筑和基础设施时结束对运气的依赖。此外，一幅目前看不见的地下地图现在离我们更近了一步，我们对南极洲的了解也将不仅限于街道下面几英尺的地方。”

目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，它限制了所有用于勘测的重力传感器的测量时间。如果这些限制能够得到解决，那么勘测可以变得更快、更全面、成本更低。

由伯明翰原子干涉测量学负责人、该研究的主要作者Michael Holynski博士和他在伯明翰的团队开发的传感器是一种重力梯度仪。为了在该领域成功应用量子技术，他们的系统克服了振动和其他各种环境挑战。该量子重力梯度仪的统计不确定度达到20 E(1 E = 10⁻⁹ s⁻²)。

图2 量子重力梯度仪的性能

图3 实地勘测

与工程学院Nicole Metje教授领导的土木工程师们合作实现的成功检测，是一项长期开发计划的高潮，该计划从一开始就与终端用户密切合作。

图4 应用相关性

这种量子重力梯度仪的突破将使未来的重力勘测更经济、更可靠，交付速度提高10倍，将勘测所需时间从一个月减少到几天。它有可能为重力勘测开辟一系列新的应用，为了解地下情况提供一个新的视角。

RSK地球科学与工程部主任George Tuckwell教授说：“检测矿山巷道、隧道和不稳定地面等地表条件对我们设计、建造和维护住房、工业和基础设施的能力至关重要。这项新技术所代表的改进能力可以改变我们绘制地面地图和交付这些项目的方式。”

量子传感联合项目技术主管、国防科学和技术实验室（Dstl）高级首席科学家Gareth Brown博士说：“对于国防和安全而言，精确、快速的测量微重力的变化为检测原本无法检测到的物体和在充满挑战的环境中更安全的导航提供了新的机会。随着重力传感技术的成熟，水下导航和揭示地下情况的应用将成为可能。”

对该量子重力梯度仪进行进一步的科学改进，包括使用大动量分光镜，有可能使仪器的灵敏度进一步提高10-100倍，从而能够更快地绘制或检测更小和更深的特征。预计在未来5-10年内，这种性能将在实际量子重力梯度仪中实现。

这项突破是由伯明翰大学、RSK（环境、工程和可持续性解决方案提供商）、Dstl（国防科学和技术实验室，隶属于英国国防部）和Teledyne e2v的多方合作取得的。该项目作为英国国家量子技术计划的一部分，是由英国研究与创新基金会（UKRI）资助，并根据国防部的合同进行的。

论文信息：

Stray, B., Lamb, A., Kaushik, A. et al. Quantum sensing for gravity cartography. Nature, 2022

DOI: 10.1038/s41586-021-04315-3

延伸阅读：

《传感器技术和市场趋势-2020版》