传感器的突破为地下世界地图的突破性进展铺平了道路

诸平

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据英国伯明翰大学(University of Birmingham)2022年2月23日提供的消息，伯明翰大学来自英国国家传感器和定时量子技术中心（UK National Quantum Technology Hub in Sensors and Timing） 研究人员，利用量子技术找到了一个隐藏在地下的物体，这是人们期待已久的里程碑，对工业、人类知识和国家安全有着深远的影响。相关研究结果于2022年2月23日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Ben Stray, Andrew Lamb, Aisha Kaushik, Jamie Vovrosh, Anthony Rodgers, Jonathan Winch, Farzad Hayati, Daniel Boddice, Artur Stabrawa, Alexander Niggebaum, Mehdi Langlois, Yu-Hung Lien, Samuel Lellouch, Sanaz Roshanmanesh, Kevin Ridley, Geoffrey de Villiers, Gareth Brown, Trevor Cross, George Tuckwell, Asaad Faramarzi, Nicole Metje, Kai Bongs, Michael Holynski. Quantum sensing for gravity cartography. Nature, Published: 23 February 2022. Volume 602, pages 590–594. DOI: 10.1038/s41586-021-04315-3. https://www.nature.com/articles/s41586-021-04315-3

此研究成果是世界上第一个非实验室条件下的量子重力梯度仪（quantum gravity gradiometer）。量子重力梯度仪是根据英国国防部和UKRI资助的重力先驱项目（Ministry of Defense and in the UKRI-funded Gravity Pioneer project）的合同而开发的，它被用来在真实世界条件下发现地下1米的户外隧道。它赢得了一场将这项技术推广到国外的国际竞赛。

该传感器的工作原理是利用量子物理原理在亚分子水平上操纵自然，从而探测微重力的变化。这一成功开启了一条大大改善了对地底存在物质测绘的商业之路。

这将意味着:减少建设、铁路和公路项目的成本和延误；改进了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；在保护性挖掘的前提下了解考古奥秘。

伯明翰大学冷原子物理学主任、英国量子技术传感器与计时中心首席研究员卡伊·邦格斯教授（Professor Kai Bongs）说:“这是传感领域的‘爱迪生时刻（Edison moment）’，它将改变社会、人类理解和经济。”

 “有了这项突破，我们有可能在探索、建造和修复过程中，结束对糟糕记录和运气的依赖。此外，一张目前看不见的地下地图现在离我们更近了一步，结束了我们对南极洲的了解超过街道下几英尺的情况。”

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，它限制了所有用于测量应用的重力传感器的测量时间。如果这些限制能够得到解决，那么调查将变得更快、更全面、成本更低。

由伯明翰大学的原子干涉测量学（Atom Interferometry at Birmingham）的负责人、也是这项研究的通讯作者迈克尔·霍林斯基博士（Dr. Michael Holynski）和他在伯明翰大学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。

这项成功的检测是与伯明翰大学工程学院的尼科尔·梅特杰（Nicole Metje）教授领导的土木工程师合作实现的，这是一个长期发展项目的顶点，从一开始就与最终用户紧密联系在一起。

这一突破将使未来的重力测量更便宜、更可靠、传输速度快10倍，将测量所需的时间从一个月减少到几天。它有可能为重力测量开辟一系列新的应用领域，为深入地下提供一个新的视角。

RSK的地球科学和工程主任乔治·塔克韦尔教授（Professor George Tuckwell）说:“探测诸如矿井、隧道和不稳定的地面等地表条件，对我们设计、建造和维护房屋、工业和基础设施至关重要。这项新技术所代表的改进能力可以改变我们测绘地面和交付这些项目的方式。”

这项突破是伯明翰大学、环境、工程和可持续性解决方案提供商RSK、英国国防部的国防科学与技术实验室(Defense Science and Technology Laboratory, part of the UK Ministry of Defense)和技术公司Teledyne e2v之间合作完成的。这项工作得到了英国工程和自然科学研究委员会（EPSRC, EP/M013294/1和EP/T001046/1)和英国创新（Innovate UK, 104613)的支持，梯度仪是根据与英国国防部的合同建造的，作为英国国家量子技术计划（UK National Quantum Technologies Programme）的一部分。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

原子干涉量子传感器的实际应用（Real-world applications for atom interferometric quantum sensors）

Abstract

The sensing of gravity has emerged as a tool in geophysics applications such as engineering and climate research^1,2,3, including the monitoring of temporal variations in aquifers⁴ and geodesy⁵. However, it is impractical to use gravity cartography to resolve metre-scale underground features because of the long measurement times needed for the removal of vibrational noise⁶. Here we overcome this limitation by realizing a practical quantum gravity gradient sensor. Our design suppresses the effects of micro-seismic and laser noise, thermal and magnetic field variations, and instrument tilt. The instrument achieves a statistical uncertainty of 20 E (1 E = 10⁻⁹ s⁻²) and is used to perform a 0.5-metre-spatial-resolution survey across an 8.5-metre-long line, detecting a 2-metre tunnel with a signal-to-noise ratio of 8. Using a Bayesian inference method, we determine the centre to ±0.19 metres horizontally and the centre depth as (1.89 −0.59/+2.3) metres. The removal of vibrational noise enables improvements in instrument performance to directly translate into reduced measurement time in mapping. The sensor parameters are compatible with applications in mapping aquifers and evaluating impacts on the water table⁷, archaeology^8,9,10,11, determination of soil properties¹² and water content¹³, and reducing the risk of unforeseen ground conditions in the construction of critical energy, transport and utilities infrastructure¹⁴, providing a new window into the underground.