编辑：袁榭

量子技术的突破性进展，为人类便捷地探索地下世界打开了新的途径。

2022年2月，伯明翰大学的研究人员与行业伙伴合作，展示了全球第一个可以在现实世界中可靠工作的量子重力梯度仪，它可以在被严格控制的实验室条件之外探测地下结构。

技术背景

英国伯明翰大学研究者迈克尔·霍林斯基(Michael Holynski)的团队研发出了一款基于量子传感器的重力梯度仪。2月24日，相关成果在《自然》杂志上刊出。

重力在世间万物中存在。研究者通过测量地球上的重力场数据，可确定地球内部岩石圈的结构、密度等。

传统的获取地球上重力场数据方法，使用经典重力仪。经典重力仪本质是个高度灵敏的弹簧秤，「弹簧系统」会随重力变化产生位移。研究者通过观测位移，来测定重力变化。

不消说，这种测量方式耗时费力，单个数据点测量需要几十分钟，测量精度也难有改善。

而利用量子特性进行重力测量是种替代思路，在20年多前，已有研究者用原子干涉仪进行重力场测量实验。

不过，振动、仪器倾斜以及磁场和热场的干扰，这些环境因素的限制使得量子理论转化为可行仪器变得艰难。

尤其是振动，限制了几乎所有类型重力仪的测量时间。如果能够解决这些障碍，测量就可以变得更快、更全面、成本更低。

比如被应用于地球物理测量的机电重力仪，要在建筑工地等以米作为测量尺度的场景中应用，就需要很长的测量时间来消除局部地震噪声或振动(如经过的车辆或其他地下结构的共振)，因而十分困难。

工作原理

伯明翰大学团队基于量子力学原理，研发出了一款更实用的重力梯度仪。

量子重力梯度仪的工作原理是在微观层面，使用超冷原子、基于量子物理原理感应微重力的变化，测量当原子云落下时引力场拉力的细微变化。物体越大，其密度与周围环境的差异越大，可测量的拉力差异就越大。

伯明翰大学团队研发出的重力梯度仪，并非直接探测重力场的绝对数据，而是探测重力梯度，即重力场强度在垂直方向上的变化率。这类测量方式能够更好地抑制噪音效果，因此更灵敏地反映重力的局部变化。

据《自然》杂志报道，这款量子重力梯度仪采用沙漏结构。利用该结构，他们能对垂直间隔一米的两个超冷铷原子云（铷是一种金属元素）进行差分测量，从而获取高精度数据。

测试基础原理示意图

重力仪使用一种叫做原子干涉术的量子技术，超冷的铷原子在重力的影响下下落，被激光束照亮，由此产生的干涉图样取决于它们下落的速度，并且非常精确地表明了当地重力场的强度和梯度。

在无预设环境的实地试运行中，量子重力梯度仪克服了振动和其他各种环境限制。通过对微小引力信号的测量，量子重力梯度仪能够无损地感应到地表之下的情况。15分钟内，即可收集10个地点的重力梯度数据。

在应用层面，利用该仪器，在英国伯明翰的城市环境中，该设备探测了两栋多层建筑之间一条2米×2米的地下隧道。团队还在一条8.5米的街道路面下，探测到了一条横截面积为2平方米的隧道。