華僑網 科技教育 量子时代,走向应用的原子干涉重力测量技术 | The Innovation

量子时代,走向应用的原子干涉重力测量技术 | The Innovation

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导读
精密重力测量技术在资源勘探、自主导航、地质结构与地震研究等诸多领域具有十分重要的意义(图1),基于原子干涉的量子重力测量技术具有高精度、低漂移、无机械磨损等特点,已经逐步成熟并在许多方面展现出相对于经典仪器的优越性。中科院精密测量院原子干涉仪团队对原子干涉重力测量技术的发展历程以及最新的进展进行了简要回顾和介绍,同时,对目前仍面临的问题和可能的解决方案进行了梳理和分析。

图1 高精度的原子重力梯度仪可以用来探测洞穴、隧道、矿藏等地下特征,图中为不同特征所产生的重力梯度异常的典型信号大小

重力测量仪器包括直接测量重力加速度的重力仪和测量重力位二阶微分的重力梯度仪,二者分别敏感于长波重力场(远距离物体产生的空间缓变重力场)和短波重力场(近距离物体产生的空间快变重力场)。从功能上讲,二者又各自可分为测量绝对重力值的绝对重力仪和测量重力变化量的相对重力仪,以及测量绝对重力梯度值的绝对重力梯度仪和测量其变化量的相对重力梯度仪。绝对仪器具有更高的长期稳定性,可校准相对仪器的长期漂移,而相对仪器一般来说具有更好的可靠性,可满足航空、航海等恶劣条件下的使用需求。长期以来,人们一直期待能够满足恶劣条件下测量需求的绝对重力测量仪器,而原子干涉重力测量技术的出现使得这种期待成为了可能

原子干涉仪利用激光操作原子的物质波进行空间上的分束、反射与合束,并在此过程中将激光的相位写入原子的物质波相位中。由于原子具有静止质量,其轨迹在重力场中会发生偏转,从而拾取不同的激光相位,因此,我们可以通过测量原子干涉信号的相位来实现对重力的精密测量(图2)。由于作为测量介质的原子具有极其稳定的能级结构,因此原子干涉仪具有和原子钟同源的内秉精密性与稳定性,同时又具有无机械磨损、可长期连续工作等优势

图2 基于原子干涉仪实现的原子重力仪(左图)和原子重力梯度仪(右图),原子重力梯度仪由空间上相隔特定距离的两个或多个原子重力仪组成

经过30年的发展,原子重力仪目前已经具备很高的技术成熟度。在2017年绝对重力仪国际比对中,6台来自中国的原子绝对重力仪参加了比测,其中有4台重力仪的比测结果达到了与国际上最先进的经典重力仪相当的水平并被组委会采纳。法国宇航局的GIRAFE型原子重力仪分别实现了海上和航空重力测量,测量精度超过了同行比测的经典相对重力仪。目前市场上的绝对重力仪产品主要是美国Microg公司的落体式绝对重力仪,原子重力仪作为新一代的量子重力传感器也已经实现了商品化, Muquans和中科酷原等国内外公司都推出了各自的原子绝对重力仪产品。

图3 FG5-X型经典绝对重力仪和WAG-C5型原子绝对重力仪

原子重力梯度仪在设计之初,目标在于作为一种科研仪器实现对万有引力常数G的高精度测量,因此在实用化方向发力稍晚。但2022年年初发表的几项工作标志着原子重力梯度仪在可靠性、分辨率、准确度和集成度等方面同样达到了很高的水平。英国伯明翰大学基于沙漏光学构型设计实现了一台高可靠性的原子重力梯度仪,并在一条隧道上方以3倍信噪比实地观测到170 E(1E ≈ 10-10 g/m)的重力梯度信号。法国iXblue公司研制出了国际上首台亚E水平的可搬运原子重力梯度仪,测量分辨率达到0.15 E水平。中科院精密测量院报道了一台高集成度亚E水平原子绝对重力梯度仪,探头体积达到前所未有的92 L的水平,并完成了迄今最为细致的系统误差评估工作。但在动态测量方面,原子重力梯度仪仍面临着标度因子不足、相位提取效率偏低等问题,这有待于大动量转移、剪切干涉成像等创新技术的应用来解决。

总结与展望

原子干涉重力仪和重力梯度仪具有高精度、低漂移、无机械磨损等优势,是极具应用潜力的新一代精密重力测量仪器。目前,原子重力仪已经具备很高的成熟度并已在静态和动态场景下全面展现出与经典仪器相当甚至超越的性能。原子重力梯度仪近年来在可靠性、分辨率、准确度和集成度等方面也取得了一系列重要进展并达到了很高的水平,但在动态测量场景下仍存在一些问题,这些问题有望基于现有的创新技术得到解决。

原文链接:cell.com/the-innovation00026-1

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第三期以Commentary发表的“Quantum gravimetry going toward real applications” (投稿: 2022-02-27;接收: 2022-03-15;在线刊出: 2022-03-19)。

DOI: doi.org/10.1016/j.xinn.

引用格式:Zhong J., Tang B., Chen X., et al. (2022). Quantum gravimetry going toward real applications. The Innovation. 3(3),100230.

作者简介

仲嘉琪,中国科学院精密测量科学与技术创新研究院高级工程师,中国科学院关键技术人才。2001年毕业于大连理工大学物理系,获学士学位,2010年毕业于于中国科学院武汉物理与数学研究所(现精密测量院),获博士学位。长期从事冷原子干涉仪应用技术研究,曾主持自然科学基金、重点研发计划子课题、国家重大科技基础设施仪器研制项目等多项国家重要科研任务,研制出垂向、水平原子重力梯度仪原理样机、工程样机等多套重要仪器,指标达到国际先进水平。累计发表SCI论文18篇,其中作为通讯作者发表二区以上论文5篇;获专利授权12项,其中发明专利7项。

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背景简介:本文2022年4月15日发表于微信公众号 TheInnovation创新 (The Innovation | 量子时代,走向应用的原子干涉重力测量技术),风云之声获授权转载。
责任编辑:祝阳

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