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一項新的研究表明，一個由物理學家和工程師組成的團隊已經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原理探測地下結構。

這種被稱為量子重力梯度儀的傳感器之前已經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、導航、城市規(guī)劃和防災等領域的大量改進的傳感應用鋪平了道路。

由英國伯明翰大學冷原子研究小組的物理學家和高級講師Michael Holynski領導的研究人員開發(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。鑒于主要的考古發(fā)現(xiàn)是從停車場地下挖掘出來的，而城市基礎設施對于傳統(tǒng)的傳感方法來說往往過于復雜，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、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、伯明翰大學基礎設施監(jiān)控教授Nicole Metje以及他們在英國國家量子技術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)和預期隧道位置(虛線)。d.通過轉移推斷過程的焦點，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