编辑：袁榭
【新智元导读】2022年2月24日，英国研究者宣布成功发明了全球首个能在现实世界中可靠工作的量子重力梯度仪。不用开挖就能清晰测绘地下的未来不远了。量子技术的突破性进展，为人类便捷地探索地下世界打开了新的途径。
2022年2月，伯明翰大学的研究人员与行业伙伴合作，展示了全球第一个可以在现实世界中可靠工作的量子重力梯度仪，它可以在被严格控制的实验室条件之外探测地下结构。
技术背景
英国伯明翰大学研究者迈克尔·霍林斯基(Michael Holynski)的团队研发出了一款基于量子传感器的重力梯度仪。2月24日，相关成果在《自然》杂志上刊出。
重力在世间万物中存在。研究者通过测量地球上的重力场数据，可确定地球内部岩石圈的结构、密度等。
传统的获取地球上重力场数据方法，使用经典重力仪。经典重力仪本质是个高度灵敏的弹簧秤，「弹簧系统」会随重力变化产生位移。研究者通过观测位移，来测定重力变化。
不消说，这种测量方式耗时费力，单个数据点测量需要几十分钟，测量精度也难有改善。
而利用量子特性进行重力测量是种替代思路，在20年多前，已有研究者用原子干涉仪进行重力场测量实验。
不过，振动、仪器倾斜以及磁场和热场的干扰，这些环境因素的限制使得量子理论转化为可行仪器变得艰难。
尤其是振动，限制了几乎所有类型重力仪的测量时间。如果能够解决这些障碍，测量就可以变得更快、更全面、成本更低。
比如被应用于地球物理测量的机电重力仪，要在建筑工地等以米作为测量尺度的场景中应用，就需要很长的测量时间来消除局部地震噪声或振动(如经过的车辆或其他地下结构的共振)，因而十分困难。
工作原理
伯明翰大学团队基于量子力学原理，研发出了一款更实用的重力梯度仪。
量子重力梯度仪的工作原理是在微观层面，使用超冷原子、基于量子物理原理感应微重力的变化，测量当原子云落下时引力场拉力的细微变化。物体越大，其密度与周围环境的差异越大，可测量的拉力差异就越大。
伯明翰大学团队研发出的重力梯度仪，并非直接探测重力场的绝对数据，而是探测重力梯度，即重力场强度在垂直方向上的变化率。这类测量方式能够更好地抑制噪音效果，因此更灵敏地反映重力的局部变化。
据《自然》杂志报道，这款量子重力梯度仪采用沙漏结构。利用该结构，他们能对垂直间隔一米的两个超冷铷原子云（铷是一种金属元素）进行差分测量，从而获取高精度数据。
测试基础原理示意图
重力仪使用一种叫做原子干涉术的量子技术，超冷的铷原子在重力的影响下下落，被激光束照亮，由此产生的干涉图样取决于它们下落的速度，并且非常精确地表明了当地重力场的强度和梯度。
在无预设环境的实地试运行中，量子重力梯度仪克服了振动和其他各种环境限制。通过对微小引力信号的测量，量子重力梯度仪能够无损地感应到地表之下的情况。15分钟内，即可收集10个地点的重力梯度数据。
在应用层面，利用该仪器，在英国伯明翰的城市环境中，该设备探测了两栋多层建筑之间一条2米×2米的地下隧道。团队还在一条8.5米的街道路面下，探测到了一条横截面积为2平方米的隧道。
