【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】浩瀚的天空是無數(shù)人想要探索的領(lǐng)域，在天文觀測中，通過收集電磁信號和重力信號(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)前的探測距離已經(jīng)達(dá)到了10億公里量級。
與天空相比，人們對地下的探索則比較有限，目前人類最深的地下活動是俄羅斯在庫頁島深度萬米的油井。在許多時候，我們對腳下的地球內(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技術(shù)，但在大多數(shù)時候，鉆探仍然是了解地下微小特征的最佳方式。近年來，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，以其突出的探測能力，正在獲得越來越多的關(guān)注。
與天空相比，人們對地下的探索則比較有限，目前人類最深的地下活動是俄羅斯在庫頁島深度萬米的油井。在許多時候，我們對腳下的地球內(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技術(shù)，但在大多數(shù)時候，鉆探仍然是了解地下微小特征的最佳方式。近年來，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，以其突出的探測能力，正在獲得越來越多的關(guān)注。
英國伯明翰大學(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)重力場如何影響自由下落的原子云來測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到的干涉圖與局部重力場有關(guān)。基于這一原理的測量可以達(dá)到驚人的精度，但這類測量會受到噪聲的嚴(yán)重影響。而原子重力梯度儀通過測量重力場中的梯度而不是絕對值，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。他們設(shè)計(jì)了一種沙漏結(jié)構(gòu)，對垂直間隔一米的兩個超冷銣原子云進(jìn)行了差分測量。這種配置提供了堅(jiān)固緊湊的光學(xué)元件，可以在幾個月內(nèi)保證測量精度。
該儀器僅通過測量地下空洞引起的微小重力變化，就能夠無損地探測到空洞的分布位置。對于10分鐘以上的測量，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期穩(wěn)定性，在傾斜和地面振動等環(huán)境效應(yīng)下仍然能夠保證測量靈敏度，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。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，更容易在野外測量中得到應(yīng)用。
Stray等人的定量測量表明，使用他們的儀器進(jìn)行測量的不確定度優(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個數(shù)據(jù)點(diǎn)。從這個角度來看，該團(tuán)隊(duì)的研究成果有望極大地改變應(yīng)用重力測量學(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，它使用兩個反向定向單光束 MOT，通過多個鏡面組件(藍(lán)色)實(shí)現(xiàn)梯度測量。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，每個輸入光束的一部分通過反射鏡面組件偏轉(zhuǎn)之后為對面的 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，因此它們可以通過鏡面組件的孔徑并且不會有明顯的能量削弱。這里的每個干涉儀能夠同時操作，垂直基線間隔為1 m；(b)來自每個捕獲區(qū)域的原子云溫度隨時間變化曲線(上圖)以及1 m原子云分離基線隨時間的相對變化曲線(下圖)(通過50次測量獲得的平均值，每次測量4秒，陰影區(qū)域?yàn)椴淮_定性范圍)；(c)測試質(zhì)量塊在兩個位置之間移動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))。每個測量數(shù)字代表一個特定的測試位置質(zhì)量。每個數(shù)據(jù)點(diǎn)由八個重力梯度的平均值加權(quán)得到測量值，每次測量都包含來自原子干涉儀的25次觀測，干涉儀每次測量耗時1.5 s。每個數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差范圍是八個重力梯度讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差。測試質(zhì)量塊大約每20分鐘移動一次，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)測的重力梯度信號ΔGzz以紅色顯示
圖2 重力梯度測量結(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的總測量不確定性(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)的可信范圍和測點(diǎn)準(zhǔn)確值(虛線)；(b)場地比例示意圖，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)用場景中的信號大小，檢測到的特征參數(shù)和傳感器的不確定性變化對應(yīng)關(guān)系；(b)未來通過該儀器可獲得某區(qū)域 0.5 m 空間分辨率的重力分布圖，測量精度可達(dá)20 E(Stray et al., 2022)
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