日前，來(lái)自英國(guó)伯明翰大學(xué)的科學(xué)家們制造出了一臺(tái)“量子重力儀”設(shè)備。這臺(tái) 1 立方米大小的設(shè)備使用冷銣原子云作為傳感器，感知重力的微弱變化，從而對(duì)重力進(jìn)行高精度的測(cè)量，可能在日后被用于石油、天然氣和礦產(chǎn)的探測(cè)。

更重要的是，它實(shí)現(xiàn)了將“引力波”、“疊加態(tài)”等抽象量子物理概念在生活中簡(jiǎn)易、便攜的應(yīng)用，并且很有可能為量子設(shè)備開辟一條新的商業(yè)化道路。

圖丨量子“重力儀”

盡管量子重力儀的原理和宇宙中的引力波測(cè)量的基本原理相似，但在英國(guó)研究者們的規(guī)劃中，目前最適合量子重力儀的工作是地球上的礦產(chǎn)探測(cè)。他們是這么解釋的：如果兩朵原子云在不同地點(diǎn)的下落速度不同，那么就意味著下方的地面密度是不同的——這種情況就意味著地下可能會(huì)有特殊結(jié)構(gòu)，比如貯藏了石油或某些礦產(chǎn)。

設(shè)備開發(fā)者之一、伯明翰大學(xué)教授 Kai Bongs 表示：“這臺(tái)設(shè)備背后的原理其實(shí)就是：任何質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生引力場(chǎng)，并能夠被精度非常高的引力傳感器檢測(cè)到”。由于密度大的礦產(chǎn)物質(zhì)能比普通土地產(chǎn)生更大的引力，重力儀很有可能成為幫助尋找石油、礦產(chǎn)駐藏地的強(qiáng)大工具。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，石油、天然氣行業(yè)對(duì)重力儀抱有極大的興趣。

除此之外，建筑公司也可以使用量子重力儀定位地下管道，以防不慎挖開錯(cuò)誤的道路，造成管道破壞和后續(xù)經(jīng)濟(jì)損失。

圖丨伯明翰大學(xué)教授 Kai Bongs

目前，石油工人和建筑測(cè)繪者們能夠使用的測(cè)繪設(shè)備非常笨重、難以使用，并且其精度遠(yuǎn)不如量子重力儀。因此，Bongs 教授也對(duì)重力儀在這些方面的優(yōu)勢(shì)非常自豪：“這一設(shè)備令人興奮的地方在于它能夠?qū)鹘y(tǒng)重力測(cè)繪設(shè)備的檢測(cè)效率提高100倍，同時(shí)能讓我們看見(jiàn)目前所觀測(cè)不到的一些信息。這些改進(jìn)背后的原因是（量子重力儀）能進(jìn)行準(zhǔn)確、無(wú)漂移的重力測(cè)量，并且能使用同一束激光轟擊高度不同的兩朵原子云。這樣的操作能夠極大減少共模噪音。”

Bongs 教授還認(rèn)為，量子重力儀在日后可以被用于地震測(cè)繪或者海嘯、火山噴發(fā)等自然災(zāi)害的預(yù)警。“這一設(shè)備能讓人們更好地觀測(cè)地下的無(wú)限未知……如果進(jìn)一步深入，我們的傳感器甚至可能被用來(lái)監(jiān)測(cè)巖漿流量，并為地震和火山活動(dòng)模型提供數(shù)據(jù)信息，繼而在自然災(zāi)害的預(yù)警中發(fā)揮作用。”

圖丨重力儀將可被用于各種自然災(zāi)害的預(yù)警

目前，研究者們僅僅研發(fā)了量子重力儀的一臺(tái)原型機(jī)。這臺(tái)原型機(jī)在使用中還有一些局限性，例如在外界干擾下，量子重力儀中原子的相干態(tài)會(huì)被破壞，即發(fā)生類似于量子計(jì)算機(jī)中的退相干效應(yīng)。因此，所有的量子系統(tǒng)或設(shè)備都必須非常仔細(xì)地被放置于屏蔽外界干擾的場(chǎng)所。這些條件限制了它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用。不過(guò)，隨著激光冷卻等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，研究人員對(duì)解決這些問(wèn)題還是非常有信心。

事實(shí)上，以原子干涉儀為代表的量子精密測(cè)量技術(shù)一直走在量子科學(xué)發(fā)展的前沿。基于冷原子干涉儀的重力儀目前已有商業(yè)產(chǎn)品，其性能也已逼近使用傳統(tǒng)技術(shù)的商用重力儀（FG5）的性能。同時(shí)，量子重力儀除了精度高，還有造價(jià)低（約FG5價(jià)格的1/5）、維護(hù)簡(jiǎn)易（不存在機(jī)械落體結(jié)構(gòu)）等優(yōu)點(diǎn)。

圖丨伯明翰大學(xué)重力儀研究組成員 Graeme Malcolm

原子干涉儀也將僅僅是實(shí)現(xiàn)量子設(shè)備商業(yè)化的一個(gè)案例。在這一案例的推動(dòng)下，不少研究者們都在開發(fā)能在實(shí)際生活中大規(guī)模使用的量子設(shè)備。Malcolm 所創(chuàng)辦的蘇格蘭格拉斯哥光子技術(shù)公司 M Squared 就同時(shí)在開發(fā)一個(gè)量子加速度計(jì)。這一加速度計(jì)能夠輔助 GPS 定位，從而抵消天氣對(duì)于探測(cè)結(jié)果的影響。除此之外，他們還將開發(fā)幫助觀測(cè)者“看見(jiàn)”隱型氣體的量子設(shè)備。

圖丨M Squared公司的激光產(chǎn)品

對(duì)于量子設(shè)備的開發(fā)熱潮，Malcolm 對(duì)市場(chǎng)有這樣的評(píng)價(jià)：“我認(rèn)為，我們正處于量子技術(shù)進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用的早期階段。”

對(duì)此，加州理工學(xué)院的研究人員 Spyridon Michalakis 也持有著類似的觀點(diǎn)。他斷言，未來(lái)是量子技術(shù)的世界。

“目前，很多科技讓我們覺(jué)得理所當(dāng)然，但它們的基礎(chǔ)其實(shí)是量子物理。只是我們近期才開始研究這些技術(shù)體系背后的量子屬性，來(lái)制造極其精確、低成本和簡(jiǎn)化的設(shè)備，從而將我們之前使用的那些設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，量子重力儀就是其中一例。”

圖丨加州理工學(xué)院研究人員 Spyridon Michalakis

背后的原理

實(shí)際上，量子重力儀的原理與 LIGO 科研協(xié)會(huì)用來(lái)檢測(cè)黑洞碰撞導(dǎo)致的引力波的方法具有相關(guān)性。眾所周知，LIGO （Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)）最重要的作用是能夠以非常高的精度探測(cè)宇宙中的引力波，進(jìn)而為引力理論、相對(duì)論、天體物理、宇宙學(xué)、粒子物理以及核物理等領(lǐng)域的研究打下基礎(chǔ)。

目前，LIGO 的兩座大型干涉儀分別位于美國(guó)南海岸 Livingston 和美國(guó)西北海岸 Hanford，其原理是用這兩座激光干涉儀同步探測(cè)宇宙深處的引力波。實(shí)際上，激光干涉儀是對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)物質(zhì)波通過(guò)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致 LIGO 中激光干涉儀所測(cè)量的距離發(fā)生變化，這些微小的變化能夠反映為 LIGO 相位的變化。通過(guò)檢測(cè)這種相位變化，即可獲取物質(zhì)波的相關(guān)信息。

圖丨LIGO 兩座大型干涉儀

2016 年 2 月，LIGO 公布在前一年 9 月首次直接探測(cè)到引力波——這是人類第一次探測(cè)到引力波，同時(shí)也是首次觀測(cè)到雙黑洞的碰撞與并合。在第一次觀測(cè)到引力波之后，LIGO 又成功觀測(cè)了第二次、第三次引力波事件。

LIGO 的巨大成就背后，精確度極高的激光干涉儀功不可沒(méi)。事實(shí)上，在所有的物理量中，人們對(duì)于激光頻率的控制、測(cè)量精度也是最高的，但由于光子本身性質(zhì)的限制，激光干涉儀也面臨非常多的局限。其中一個(gè)問(wèn)題就在于，光子沒(méi)有質(zhì)量，無(wú)法測(cè)量重力，而重力的測(cè)量在礦藏勘探、土地測(cè)繪、精確導(dǎo)航方面有著極其重要的應(yīng)用。

圖丨傳統(tǒng)重力儀

得益于德布羅伊的波粒二象性理論，基于原子物質(zhì)波干涉的原子干涉儀的出現(xiàn)，使得人們的夢(mèng)想得以實(shí)現(xiàn)，而英國(guó)科學(xué)家此次研制的量子重力儀就是其中一例。

實(shí)際上，原子干涉儀與 LIGO 這樣的激光干涉儀非常類似，但不同之處是將 LIGO 中的激光脈沖替換為原子物質(zhì)波，利用激光操控原子物質(zhì)波進(jìn)行干涉。由于原子具有靜質(zhì)量，因此可以和重力相互作用，這些相互作用繼而反映在干涉儀的相位中，由此形成了原子重力儀。

在此重力儀的工作過(guò)程中，處于超高真空腔體的原子首先被制備到某一特定的態(tài)，然后進(jìn)行自由落體。在此過(guò)程中，原子受到激光脈沖的作用，處于疊加態(tài)，也就是說(shuō)它們同時(shí)有兩個(gè)態(tài)——可以參考薛定諤的貓，它就是死貓狀態(tài)和活貓狀態(tài)的混合體。經(jīng)過(guò)三次激光脈沖的作用，原子物質(zhì)波實(shí)現(xiàn)分束、合束和干涉。

實(shí)際上，這些激光脈沖的作用相當(dāng)于光做的標(biāo)尺，它們將及時(shí)記錄下一些關(guān)鍵位置，由于光頻控制非常精確，因此這些標(biāo)尺對(duì)原子位置的測(cè)量也具有很高的精度。之后，原子的狀態(tài)被測(cè)量，此時(shí)原子的疊加態(tài)不再存在，但原子干涉的相位決定了原子分布于兩個(gè)態(tài)的概率。通過(guò)測(cè)量這個(gè)概率，可以得到原子演化的路徑信息，進(jìn)而推算重力。

原子干涉儀的技術(shù)實(shí)現(xiàn)還要得益于 1997 年的諾貝爾獎(jiǎng)——朱棣文、塔諾季和菲利普斯發(fā)明的激光冷卻和陷俘原子技術(shù)。在量子重力儀中，原子云懸空于籃球大小的真空室中，激光將原子陷俘，并將其溫度冷卻至80微開（microkelvin）——僅僅略高于絕對(duì)零度。在這種溫度下，人們才能操控和實(shí)現(xiàn)原子干涉。

圖丨獲獎(jiǎng)?wù)咧扉ξ摹⑺Z季和菲利普斯

因?yàn)榱孔又亓x使用的是激光冷卻，而不是體積龐大的低溫制冷，所以目前的重力儀原型僅有約 1 立方米大小。伯明翰大學(xué)重力儀研究組成員 Graeme Malcolm稱，量子重力儀中的激光、真空室等部件還有可能繼續(xù)縮小。這樣的話，量子重力儀將會(huì)在未來(lái)更易于攜帶。

無(wú)論如何，順著這個(gè)趨勢(shì)發(fā)展下去，在不久的將來(lái)，可靠、可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)、室溫下就能懸浮的廉價(jià)材料、通過(guò)量子傳輸傳送信息、擁有前所未有的安全性的量子網(wǎng)絡(luò)，這些在現(xiàn)在看來(lái)充滿未來(lái)感的技術(shù)都將成為現(xiàn)實(shí)。