【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】浩瀚的天空是無(wú)數(shù)人想要探索的領(lǐng)域，在天文觀測(cè)中，通過(guò)收集電磁信號(hào)和重力信號(hào)(Abbott et al., 2016)，我們可以了解宇宙中的物質(zhì)組成和星體結(jié)構(gòu)，當(dāng)前的探測(cè)距離已經(jīng)達(dá)到了10億公里量級(jí)。

        與天空相比，人們對(duì)地下的探索則比較有限，目前人類最深的地下活動(dòng)是俄羅斯在庫(kù)頁(yè)島深度萬(wàn)米的油井。在許多時(shí)候，我們對(duì)腳下的地球內(nèi)部，即使是地表以下幾米的地方，都缺乏足夠詳細(xì)的認(rèn)知。雖然目前有著重磁電震等多種地球物理探測(cè)技術(shù)，但在大多數(shù)時(shí)候，鉆探仍然是了解地下微小特征的最佳方式。近年來(lái)，量子傳感器作為傳統(tǒng)地球物理傳感器的一種可行的替代方案，以其突出的探測(cè)能力，正在獲得越來(lái)越多的關(guān)注。
 

　　英國(guó)伯明翰大學(xué)的Stray等人研制了一種基于量子傳感的超冷原子重力梯度儀，他們使用原子干涉技術(shù)，根據(jù)重力場(chǎng)如何影響自由下落的原子云來(lái)測(cè)量局部的重力加速度。在常規(guī)裝置中，光脈沖用于產(chǎn)生、分離和重組物質(zhì)波(每個(gè)粒子在物理學(xué)中都可以被描述為物質(zhì)波)，從而使它們相互作用，這樣在重力儀中檢測(cè)到的干涉圖與局部重力場(chǎng)有關(guān)?；谶@一原理的測(cè)量可以達(dá)到驚人的精度，但這類測(cè)量會(huì)受到噪聲的嚴(yán)重影響。而原子重力梯度儀通過(guò)測(cè)量重力場(chǎng)中的梯度而不是絕對(duì)值，在一定程度上克服了這一缺陷。
 

　　自從30多年前，Kasevich 和Chu(1991)首次提出重力梯度儀的概念，這種儀器的性能隨著技術(shù)的發(fā)展不斷提升。當(dāng)前此類研究的重點(diǎn)是如何讓儀器便攜并足夠可靠，適用于野外測(cè)量(Bong et al., 2019; Wu et al., 2019)。Stray等人研發(fā)的量子傳感原子重力梯度儀是這一研究領(lǐng)域的重大突破。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種沙漏結(jié)構(gòu)，對(duì)垂直間隔一米的兩個(gè)超冷銣原子云進(jìn)行了差分測(cè)量。這種配置提供了堅(jiān)固緊湊的光學(xué)元件，可以在幾個(gè)月內(nèi)保證測(cè)量精度。
 

　　該儀器僅通過(guò)測(cè)量地下空洞引起的微小重力變化，就能夠無(wú)損地探測(cè)到空洞的分布位置。對(duì)于10分鐘以上的測(cè)量，該儀器的靈敏度可達(dá)到20E(1E為10-9 / s2)。這種傳感器使原子梯度計(jì)朝著實(shí)際應(yīng)用的方向邁出了一大步。原子重力儀和梯度儀具有天然的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在傾斜和地面振動(dòng)等環(huán)境效應(yīng)下仍然能夠保證測(cè)量靈敏度，而且不需要機(jī)械部件，因此相比于傳統(tǒng)的重力儀，它們具有明顯的優(yōu)勢(shì)。Stray等人的結(jié)果表明，這類儀器將有望很快實(shí)現(xiàn)小型化和便攜化，更容易在野外測(cè)量中得到應(yīng)用。
 

　　Stray等人的定量測(cè)量表明，使用他們的儀器進(jìn)行測(cè)量的不確定度優(yōu)于目前的商用重力儀。更重要的是，他們指出這種儀器在15分鐘內(nèi)就可以收集到10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。從這個(gè)角度來(lái)看，該團(tuán)隊(duì)的研究成果有望極大地改變應(yīng)用重力測(cè)量學(xué)的研究現(xiàn)狀。
 

　　圖1 重力梯度儀(Stray et al., 2022)。(a)沙漏型重力梯度儀，它使用兩個(gè)反向定向單光束 MOT，通過(guò)多個(gè)鏡面組件(藍(lán)色)實(shí)現(xiàn)梯度測(cè)量。初始原子云(綠色)受局部重力加速度g作用下落，在受到相隔時(shí)間 T 的光脈沖作用后發(fā)生原子干涉(紫色)，這里的光束傳輸用箭頭表示。冷卻光束(紅色)被真空鏡(藍(lán)色)偏轉(zhuǎn)以提供全方位冷卻，每個(gè)輸入光束的一部分通過(guò)反射鏡面組件偏轉(zhuǎn)之后為對(duì)面的 MOT 提供冷卻光束。原子干涉儀光束(黃色箭頭)具有較小的光束能量聚焦半徑，因此它們可以通過(guò)鏡面組件的孔徑并且不會(huì)有明顯的能量削弱。這里的每個(gè)干涉儀能夠同時(shí)操作，垂直基線間隔為1 m；(b)來(lái)自每個(gè)捕獲區(qū)域的原子云溫度隨時(shí)間變化曲線(上圖)以及1 m原子云分離基線隨時(shí)間的相對(duì)變化曲線(下圖)(通過(guò)50次測(cè)量獲得的平均值，每次測(cè)量4秒，陰影區(qū)域?yàn)椴淮_定性范圍)；(c)測(cè)試質(zhì)量塊在兩個(gè)位置之間移動(dòng)引起的重力梯度變化——靠近傳感器(空心三角點(diǎn))或遠(yuǎn)離傳感器(實(shí)心三角點(diǎn))。每個(gè)測(cè)量數(shù)字代表一個(gè)特定的測(cè)試位置質(zhì)量。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)由八個(gè)重力梯度的平均值加權(quán)得到測(cè)量值，每次測(cè)量都包含來(lái)自原子干涉儀的25次觀測(cè)，干涉儀每次測(cè)量耗時(shí)1.5 s。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差范圍是八個(gè)重力梯度讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差。測(cè)試質(zhì)量塊大約每20分鐘移動(dòng)一次，誤差為±3.5分鐘，其位置可重復(fù)性為1厘米，變化的模型所預(yù)測(cè)的重力梯度信號(hào)ΔGzz以紅色顯示
 

　　圖2 重力梯度測(cè)量結(jié)果(Stray et al., 2022)。(a)重力梯度數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差分布(黑色散點(diǎn)圖)和包括模型不確定性時(shí)的總測(cè)量不確定性(藍(lán)色散點(diǎn)圖)、1倍標(biāo)準(zhǔn)差(深藍(lán)色陰影)和2倍標(biāo)準(zhǔn)差(淺藍(lán)色陰影)的可信范圍和測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確值(虛線)；(b)場(chǎng)地比例示意圖，坐標(biāo)原點(diǎn)(紅色圓點(diǎn))在垂直方向上的位置由測(cè)量線上的最低點(diǎn)決定，在水平方向上的位置由隧道中心預(yù)期位置決定；(c)重力梯度儀數(shù)據(jù)推斷的隧道位置(藍(lán)色等高線)和準(zhǔn)確的隧道位置(虛線)；(d)通過(guò)重力梯度數(shù)據(jù)和先驗(yàn)信息得到的土壤密度分布
 

　　圖3 (a)典型重力梯度的等高線圖及其各種應(yīng)用場(chǎng)景中的信號(hào)大小，檢測(cè)到的特征參數(shù)和傳感器的不確定性變化對(duì)應(yīng)關(guān)系；(b)未來(lái)通過(guò)該儀器可獲得某區(qū)域 0.5 m 空間分辨率的重力分布圖，測(cè)量精度可達(dá)20 E(Stray et al., 2022)