利用發現引力波的原理來挖石油，量子設備的商業化趨勢已現

日前，來自英國伯明翰大學的科學家們製造出了一台「量子重力儀」設備。這台 1 立方米大小的設備使用冷銣原子云作為感測器，感知重力的微弱變化，從而對重力進行高精度的測量，可能在日後被用於石油、天然氣和礦產的探測。

更重要的是，它實現了將「引力波」、「疊加態」等抽象量子物理概念在生活中簡易、便攜的應用，並且很有可能為量子設備開闢一條新的商業化道路。

圖丨量子「重力儀」

儘管量子重力儀的原理和宇宙中的引力波測量的基本原理相似，但在英國研究者們的規劃中，目前最適合量子重力儀的工作是地球上的礦產探測。他們是這麼解釋的：如果兩朵原子云在不同地點的下落速度不同，那麼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有特殊結構，比如貯藏了石油或某些礦產。

設備開發者之一、伯明翰大學教授 Kai Bongs 表示：「這台設備背後的原理其實就是：任何質量都會產生引力場，並能夠被精度非常高的引力感測器檢測到」。由於密度大的礦產物質能比普通土地產生更大的引力，重力儀很有可能成為幫助尋找石油、礦產駐藏地的強大工具。也正是因為這個原因，石油、天然氣行業對重力儀抱有極大的興趣。

除此之外，建築公司也可以使用量子重力儀定位地下管道，以防不慎挖開錯誤的道路，造成管道破壞和後續經濟損失。

圖丨伯明翰大學教授 Kai Bongs

目前，石油工人和建築測繪者們能夠使用的測繪設備非常笨重、難以使用，並且其精度遠不如量子重力儀。因此，Bongs 教授也對重力儀在這些方面的優勢非常自豪：「這一設備令人興奮的地方在於它能夠將傳統重力測繪設備的檢測效率提高100倍，同時能讓我們看見目前所觀測不到的一些信息。這些改進背後的原因是（量子重力儀）能進行準確、無漂移的重力測量，並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 教授還認為，量子重力儀在日後可以被用於地震測繪或者海嘯、火山噴發等自然災害的預警。「這一設備能讓人們更好地觀測地下的無限未知……如果進一步深入，我們的感測器甚至可能被用來監測岩漿流量，並為地震和火山活動模型提供數據信息，繼而在自然災害的預警中發揮作用。」

圖丨重力儀將可被用於各種自然災害的預警

目前，研究者們僅僅研發了量子重力儀的一台原型機。這台原型機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會被破壞，即發生類似於量子計算機中的退相干效應。因此，所有的量子系統或設備都必須非常仔細地被放置於屏蔽外界干擾的場所。這些條件限制了它們在現實世界中的應用。不過，隨著激光冷卻等技術的進一步發展，研究人員對解決這些問題還是非常有信心。

事實上，以原子干涉儀為代表的量子精密測量技術一直走在量子科學發展的前沿。基於冷原子干涉儀的重力儀目前已有商業產品，其性能也已逼近使用傳統技術的商用重力儀（FG5）的性能。同時，量子重力儀除了精度高，還有造價低（約FG5價格的1/5）、維護簡易（不存在機械落體結構）等優點。

圖丨伯明翰大學重力儀研究組成員 Graeme Malcolm

原子干涉儀也將僅僅是實現量子設備商業化的一個案例。在這一案例的推動下，不少研究者們都在開發能在實際生活中大規模使用的量子設備。Malcolm 所創辦的蘇格蘭格拉斯哥光子技術公司 M Squared 就同時在開發一個量子加速度計。這一加速度計能夠輔助 GPS 定位，從而抵消天氣對於探測結果的影響。除此之外，他們還將開發幫助觀測者「看見」隱型氣體的量子設備。

圖丨M Squared公司的激光產品

對於量子設備的開發熱潮，Malcolm 對市場有這樣的評價：「我認為，我們正處於量子技術進行商業應用的早期階段。」

對此，加州理工學院的研究人員 Spyridon Michalakis 也持有著類似的觀點。他斷言，未來是量子技術的世界。

「目前，很多科技讓我們覺得理所當然，但它們的基礎其實是量子物理。只是我們近期才開始研究這些技術體系背後的量子屬性，來製造極其精確、低成本和簡化的設備，從而將我們之前使用的那些設備進行升級，量子重力儀就是其中一例。」

圖丨加州理工學院研究人員 Spyridon Michalakis

背後的原理

實際上，量子重力儀的原理與 LIGO 科研協會用來檢測黑洞碰撞導致的引力波的方法具有相關性。眾所周知，LIGO （Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉引力波觀測台）最重要的作用是能夠以非常高的精度探測宇宙中的引力波，進而為引力理論、相對論、天體物理、宇宙學、粒子物理以及核物理等領域的研究打下基礎。

目前，LIGO 的兩座大型干涉儀分別位於美國南海岸 Livingston 和美國西北海岸 Hanford，其原理是用這兩座激光干涉儀同步探測宇宙深處的引力波。實際上，激光干涉儀是對距離進行測量。當物質波通過時，會導致 LIGO 中激光干涉儀所測量的距離發生變化，這些微小的變化能夠反映為 LIGO 相位的變化。通過檢測這種相位變化，即可獲取物質波的相關信息。

圖丨LIGO 兩座大型干涉儀

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

LIGO 的巨大成就背後，精確度極高的激光干涉儀功不可沒。事實上，在所有的物理量中，人們對於激光頻率的控制、測量精度也是最高的，但由於光子本身性質的限制，激光干涉儀也面臨非常多的局限。其中一個問題就在於，光子沒有質量，無法測量重力，而重力的測量在礦藏勘探、土地測繪、精確導航方面有著極其重要的應用。

圖丨傳統重力儀

得益於德布羅伊的波粒二象性理論，基於原子物質波干涉的原子干涉儀的出現，使得人們的夢想得以實現，而英國科學家此次研製的量子重力儀就是其中一例。

實際上，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 中的激光脈衝替換為原子物質波，利用激光操控原子物質波進行干涉。由於原子具有靜質量，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程中，處於超高真空腔體的原子首先被製備到某一特定的態，然後進行自由落體。在此過程中，原子受到激光脈衝的作用，處於疊加態，也就是說它們同時有兩個態——可以參考薛定諤的貓，它就是死貓狀態和活貓狀態的混合體。經過三次激光脈衝的作用，原子物質波實現分束、合束和干涉。

實際上，這些激光脈衝的作用相當於光做的標尺，它們將及時記錄下一些關鍵位置，由於光頻控制非常精確，因此這些標尺對原子位置的測量也具有很高的精度。之後，原子的狀態被測量，此時原子的疊加態不再存在，但原子干涉的相位決定了原子分布於兩個態的概率。通過測量這個概率，可以得到原子演化的路徑信息，進而推算重力。

原子干涉儀的技術實現還要得益於 1997 年的諾貝爾獎——朱棣文、塔諾季和菲利普斯發明的激光冷卻和陷俘原子技術。在量子重力儀中，原子云懸空於籃球大小的真空室中，激光將原子陷俘，並將其溫度冷卻至80微開（microkelvin）——僅僅略高於絕對零度。在這種溫度下，人們才能操控和實現原子干涉。

圖丨獲獎者朱棣文、塔諾季和菲利普斯

因為量子重力儀使用的是激光冷卻，而不是體積龐大的低溫製冷，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縮小。這樣的話，量子重力儀將會在未來更易於攜帶。

無論如何，順著這個趨勢發展下去，在不久的將來，可靠、可擴展的量子計算機、室溫下就能懸浮的廉價材料、通過量子傳輸傳送信息、擁有前所未有的安全性的量子網路，這些在現在看來充滿未來感的技術都將成為現實。

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