一种新的重力传感器利用原子奇怪的量子行为来观察地下

在这些设备中，自由落体的原子揭示了地球引力在不同地方的细微变化。这些变化反映了传感器下方材料密度的差异——有效地让仪器窥视地下。研究人员在2月24日的《自然》杂志上报告说，在一项新实验中，其中一台机器梳理出地下隧道的微小引力特征。

“像这样的仪器会有很多很多应用，”佛罗伦萨大学的实验物理学家NicolaPoli说，他在同一期《自然》杂志上与人合着了一篇关于这项研究的评论。

Poli设想使用量子引力传感器监测火山下方的地下水或岩浆，或者帮助考古学家发现隐藏的坟墓或其他文物，而无需挖掘它们(SN:11/2/17)。这些设备还可以帮助农民检查土壤质量或帮助工程师检查潜在建筑工地是否存在不稳定的地面。

“有很多工具可以测量重力，”新泽西州纽瓦克罗格斯大学的原子物理学家XuejianWu说，他没有参与这项研究。一些设备测量重力将悬挂在弹簧上的质量拉下多远。其他工具使用激光来记录物体在真空室中翻滚的速度。但吴说，自由落体原子，就像量子引力传感器中的原子一样，是最原始、最可靠的测试质量。因此，从长远来看，量子传感器有望比其他重力探测器更准确、更稳定。

在量子引力传感器内部，一团过冷原子从滑槽中落下。然后，光脉冲将每个下落的原子分裂成叠加态——一个量子边缘，其中每个原子同时存在于两个位置(SN:11/7/19)。由于它们在地球引力场中的位置略有不同，每个原子的两个版本在下落时会感受到不同的向下牵引力。然后另一个光脉冲重新组合分裂的原子。

由于原子的波粒二象性——量子物理学的一个奇怪规则，即原子可以像波一样行动——重新组合的原子相互干扰(SN：1/13/22)。也就是说，当原子波重叠时，它们的波峰和波谷可以相互加强或抵消，从而形成干涉图样。这种模式反映了每个原子的分裂版本在下落时感受到的略微不同的向下拉力——揭示了原子云所在位置的引力场。

这种基于原子的设备进行的极其精确的测量有助于检验爱因斯坦的引力理论(SN:10/28/20)并测量基本常数，例如牛顿的引力常数(SN:4/12/18)。但是基于原子的重力传感器对地震活动、交通和其他来源的振动高度敏感。

英国伯明翰大学的物理学家迈克尔·霍林斯基(MichaelHolynski)说：“即使是非常非常小的振动也会产生足够多的噪音，你必须在任何地方长时间测量”以消除背景震颤。这使得量子引力传感对于实验室以外的许多用途来说是不切实际的。

霍林斯基的团队通过建造一个重力传感器解决了这个问题，该传感器不仅有一个而是两个坠落的铷原子云。当一朵云悬浮在另一朵云上方一米处时，该仪器可以在一个位置测量两个不同高度的重力强度。比较这些测量值使研究人员能够抵消背景噪音的影响。

霍林斯基和同事们测试了他们的传感器——一个2米高的轮子滑槽，拴在一辆滚动的设备车上——是否能探测到伯明翰大学校园的地下通道。这条2×2米的混凝土隧道位于两座多层建筑之间的道路下方。量子传感器沿着穿过隧道的8.5米长的直线，每隔0.5米测量一次局部引力场。这些读数与计算机模拟的预测相符，计算机模拟根据隧道的结构和其他可能影响当地重力场的因素(例如附近的建筑物)估算了隧道的重力信号。

研究人员估计，根据机器在该实验中的灵敏度，它可能会在不到两分钟的时间内在每个位置提供可靠的重力测量。这大约是其他类型重力传感器所需时间的十分之一。

此后，该团队构建了用于隧道探测实验的缩小版重力传感器。与用于隧道测试的300公斤重的野兽相比，新机器重约15公斤。其他升级也可以提高重力传感器的速度。

在未来，工程师NicoleMetje设想建造一个可以像割草机一样从一个地方推到另一个地方的量子引力传感器。但可移植性并不是使这些工具更加用户友好的唯一挑战，该研究的合著者Metje说，他也是伯明翰大学的。“目前，我们仍然需要有物理学学位的人来操作传感器。”

因此，充满希望的流浪者可能会等待很长时间才能用他们的金属探测器换取量子重力传感器。

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