華中科技大學 楊玉坤、周敏康 編譯自Michael Allen. Physics World，2021，(12)：44
本文選自《物理》2022年第1期
人們熟知的量子技術大多與計算相關，一臺好的、功能強大的計算機在解決複雜問題上是非常有吸引力的。計算機作為資料處理工具，無論是量子的還是經典的，都是將資料轉換成資訊後，才被用於工業、醫學等領域，但前提是要有用來採集這些關鍵資料所必需的高質量感測器。
實際上，新型感測器和新的資訊收集方式已引發諸多技術上和經濟上的革命，“如果我們回顧歷史，就會發現諾貝爾獎總是與感測器的發明相關，比如1901年倫琴(Wilhelm Röntgen)因發現X射線而獲諾貝爾獎”，來自英國伯明翰大學的量子物理學家Kai Bongs說道，“當時沒有人知道那是什麼，但如今幾乎每一家醫院、機場掃描器以及很多工業上的質量控制機等都在使用X射線，它們能讓我們看到物體內部的資訊，這是之前看不到的。”
圖1 量子重力儀因其更快速、更準確的特性而具有很多潛在的工程上的應用
Bongs是英國量子感測與計時技術中心的學術帶頭人，該中心作為英國國家量子技術專案之一，擁有超過110個子專案，總資金達1.2億英鎊，其目的是促進量子感測器如磁感測器和重力感測器等方面的創新和商業化。這些技術在很多方面都有應用，包括氣候、通訊、能源、交通、醫療和城市發展等。
“當我們談論量子感測器時，我們指的是利用量子效應，如疊加或可能的糾纏，”Bongs說道。疊加指的是粒子能夠同時處於兩個量子態或同時沿兩條路徑傳播。“當這兩條路徑重新匯合時，波包在兩條路徑之間的差別將會在末端產生量子干涉現象，這使得我們能夠以非常高的精度測量造成這種差別的物理場。”Bongs解釋道。
這種量子效應被Bongs和他的同事們用於製備基於原子干涉的量子重力梯度儀，在該儀器中，兩團原子分別處於不同的高度，並沿兩個不同的路徑演化，意味著這兩團原子會感受到不同高度處差別極小的重力場，其干涉條紋的相位將包含重力及梯度的資訊。
大多數經典的重力儀可以等效為懸掛有質量的彈簧，透過測量彈簧的伸縮來反映重力的變化，其缺點是彈簧本身也會受地面振動的影響而拉伸，這意味著這種儀器需要不斷地校準才能使用，並且每一次讀數都需要等待足夠長的時間以平均地面振動帶來的背景噪聲的影響，這些振動包括駛過的卡車、火車和低強度的地震活動以及其他的振動等。
雖然彈簧式重力儀非常靈敏，但量子重力儀仍有優勢所在：不管地面如何振動，量子重力儀只有一個整體的運動模式，沒有類似彈簧的彈性特徵。量子重力儀的裝置、原子團以及探測原子下落的鐳射會一起運動。“你可以消除不必要的敏感源，”Bongs說，“同時你也可以抑制地面振動等噪聲，提高靈敏度。”他補充道。
在土木工程方面，重力感測器被用來探測地下的質量分佈的差異，以幫助找到被掩埋的基礎設施如管道、隧道和舊礦井等。其他技術如探地雷達雖然也用於此項工作，但不同的是，它們是主動技術，必須向地下發射訊號，其探測距離受限於訊號的傳播衰減。“重力的真正優勢在於它是被動的，我們不必預先輸入訊號，我們只需要在地面上測量就行了。”來自伯明翰的土木工程師Daniel Boddice解釋道。只要地下物質在地表產生足夠大的引力訊號，我們就能探測到。
Bongs承認，儘管重力感測器具有很大的潛力，但它們甚至在地球物理中也不常用，主要原因是：為了消除振動噪聲的影響，你必須在一個位置探測足夠長的時間，積累大量的資料，因此代價昂貴。來自伯明翰的土木工程師Nicole Metje認為產生噪聲訊號的不只是地震振動，“當你身處像公共交通、人員走動、鑽井作業等環境中時，那些都會產生振動。” Boddice補充道，“量子感測器的真正優勢在於我們能在更多的地方使用它，且能測得更快、更有效、更準確。”
最近Metje和Boddice利用量子重力儀在鐵軌上探測涵洞(在鐵軌下起排水作用的管道或結構)。如果其被堵塞的話，道床就會被水浸透，產生所謂的“溼床”，這會影響軌道的穩定性，併產生類似傾角的結構問題，從而影響列車安全執行的速度，導致延誤。這些涵洞可能被深埋在軌道之下，使得確定它們的位置和評估其狀況變得困難。由於探地雷達的探測深度有時無法滿足需求，而且工程師通常只有夜間幾個小時的時間進行測量，因此在這種情況下，Metje認為重力感測器比其他任何方法都更有效。然而現有的基於彈簧的重力感測器測量速度很慢，但量子重力感測器由於沒有振動產生的噪音，所以測量速度更快，而且也不需要是靜止的。因此這種量子感測器可以安裝在火車上，在火車行駛時掃描鐵軌。伯明翰小組已在英國的部分鐵軌上進行了測試。
來自RSK(一家英國環境與工程諮詢公司)小組的George Tuckwell研究瞭如何將量子重力儀用於土木工程上的問題，RSK在早期透過評估地面狀況幫助客戶降低建築專案的風險，他們繪製出地面地圖，以確定基岩和地下水的變化，以及地面上的其他自然和人工變化，如垃圾填埋場和採礦作業。這就避免了那些可能帶來資金流失和延誤的不可預見風險對專案的影響。
量子重力儀還可以被用於增強導航系統的有效性，近年來人們越來越重視GPS導航誤差引起的載體位置偏離。特別是在海洋導航領域，當輪船收到錯誤的導航訊號時，輪船就會錯誤估計其所處的真正位置，敵對勢力或海盜很可能利用這種失誤對輪船進行劫持和破壞，甚至引導輪船到敵對勢力的海域範圍——重現21世紀版本的Cornish沉船事故的導引燈籠。
如果我們能繪製出準確的重力網，輪船就能利用其攜帶的量子重力儀記錄重力值並與重力網比較，以確定自身的位置。理論上，重力儀能夠完全密封在盒子裡，與外界隔離，這使得它不會被非法侵入。即使有人截斷了輪船的通訊、衛星和雷達導航系統甚至一切可以連線外界的工具，重力仍能進行導航。“唯一能夠顯著干預重力感測器的方式就是改變重力訊號，而這意味著要搬動一座山那麼大的質量。” Bongs解釋道。
的確，重力儀能用來“探測看不見的訊號”，法國μQUANS首席執政官Bruno Desruelle 博士這麼說道。該公司利用絕對量子重力儀研究義大利Etna火山山頂附近的地質活動已長達1年，研究者將很快就能得到併發布Etna火山的新資訊。
圖2 量子絕對重力儀用於研究火山特性
測量火山附近的重力變化是很重要的，因為它將給我們提供岩石、氣體和岩漿等地下物質的密度變化。重力增加很可能意味著緻密物質如岩漿的流入，而密度減小(重力減小)意味著存在滲坑。“這類研究的想法是，利用測量火山表面的重力來反演地下的地球物理過程，以獲得火山內部運動更深入的理解。”Desruelle解釋道。
量子重力儀已進入到實用階段，Desruelle以他們的具體應用例項說道。“只要你想知道地下的質量分佈，你就會在各種活動中用到量子重力感測器，這包括水文學、地震學，以及探測縫隙、滲坑、隧道和空腔的土木工程專案。很多人都對大地測量學的儀器感興趣，”他補充說，“所以他們想要進一步瞭解地球圈層和重力分佈圖，很多研究機構被分配在不同區域進行重力網的繪製。”
對於工程上和地球物理方面的應用，原子下落的兩個不同路徑僅僅分開幾毫米遠，但只要增大儀器的尺寸就能極大地提高靈敏度，可以用來探測未知的不可見的物質，而這種物質(暗物質、暗能量)佔了宇宙物質的85%以上。
截至今年1月，英國的研究與創新基金會資助了價值達3100萬英鎊的7個專案，希望利用量子技術解決基礎物理中的重大難題。其中3個是發展量子增強幹涉儀和感測器以尋找暗物質——探測軸子等候選物或檢驗時空的量子化理論等。通常科學中的顛覆性發現是在新技術和既有理論相融合的基礎上完成的，我們或許還處在量子感測的黎明時期，但它已為我們指明一條更好的道路，並引導我們探索宇宙最深處的奧秘，這非常引人入勝和令人期待。
