美国宇航局首次在太空展示“超冷”量子传感器

美国宇航局（NASA）的冷原子实验室（Cold Atom Lab）展示了它在国际空间站上的安装位置，最近展示了一种名为原子干涉仪的工具的使用，该工具可以精确测量重力和其他力，并且在太空中有许多潜在的应用。图片来源：NASA/JPL-Caltech

美国宇航局的冷原子实验室（Cold Atom Lab）是国际空间站上的第一个此类设施，它朝着彻底改变量子科学在太空中的使用方式又迈出了一步。科学团队的成员用实验室的机载工具之一测量了空间站的细微振动，这是首次使用超冷原子来检测太空中周围环境的变化。

该研究于8月13日发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上，还报告了原子在太空中自由落体的波状性质的最长的演示。

冷原子实验室的科学团队使用一种称为原子干涉仪的量子工具进行了测量，该工具可以精确测量重力、磁场和其他力。地球上的科学家和工程师使用这个工具来研究重力的基本性质，并推进有助于飞机和船舶导航的技术。（手机、晶体管和GPS只是其他一些基于量子科学的主要技术，但不涉及原子干涉测量。

物理学家一直渴望在太空中应用原子干涉测量法，因为那里的微重力允许更长的测量时间和更高的仪器灵敏度，但这种极其敏感的设备被认为太脆弱，如果没有实际帮助，无法长时间运行。从地球远程操作的冷原子实验室现在已经证明这是可能的。

“达到这一里程碑是非常具有挑战性的，我们的成功并不总是必然的，”美国宇航局南加州喷气推进实验室的冷原子实验室项目科学家杰森威廉姆斯说。“团队需要奉献精神和冒险精神才能实现这一目标。”

精度的力量

能够高精度测量重力的天基传感器具有广泛的潜在应用。例如，它们可以揭示我们太阳系中行星和卫星的组成，因为不同的材料具有不同的密度，从而产生细微的重力变化。

美国和德国的合作GRACE-FO（重力恢复和气候实验后续）已经在进行这种类型的测量，它检测重力的微小变化，以追踪地球上水和冰的运动。原子干涉仪可以提供额外的精度和稳定性，揭示有关表面质量变化的更多细节。

对引力的精确测量还可以提供对暗物质和暗能量本质的见解，这是两大宇宙学奥秘。暗物质是一种看不见的物质，在宇宙中比构成行星、恒星和我们能看到的其他一切的“常规”物质常见五倍。暗能量是宇宙加速膨胀的未知驱动力的名称。

“原子干涉测量法也可以用来以新的方式测试爱因斯坦的广义相对论，”弗吉尼亚大学教授Cass Sackett说，他是Cold Atom实验室的首席研究员，也是这项新研究的合著者。“这是解释我们宇宙大尺度结构的基本理论，我们知道该理论的某些方面我们没有正确理解。这项技术可以帮助我们填补这些空白，并让我们更全面地了解我们所居住的现实。

在国际空间站上安装的原子干涉仪。图片来源：Nature Communications（2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-50585-6

冷原子实验室（Cold Atom Lab）于2018年发射到空间站，其目标是通过在低地球轨道的微重力环境中放置一个长期设施来推进量子科学。实验室将原子冷却到几乎绝对零度，即零下 459 华氏度（零下 273 摄氏度）。

在这个温度下，一些原子可以形成玻色-爱因斯坦凝聚态，这是一种物质状态，在这种状态下，所有原子基本上都具有相同的量子同一性。结果，一些原子通常微观的量子特性变得宏观，使它们更容易研究。

量子特性包括有时表现得像固体粒子，有时表现得像波。科学家们不知道这些所有物质的组成部分如何在如此不同的物理行为之间转换，但他们正在使用量子技术，就像冷原子实验室（Cold Atom Lab）上可用的技术一样，来寻求答案。

在微重力下，玻色-爱因斯坦凝聚物可以达到更冷的温度并存在更长时间，这给了科学家更多研究它们的机会。原子干涉仪是该设施中的几种工具之一，通过利用原子的量子性质实现精确测量。

由于其波状行为，单个原子可以同时行进两条物理上独立的路径。如果重力或其他力作用在这些波上，科学家可以通过观察波如何重组和相互作用来测量这种影响。

“我预计，天基原子干涉测量将带来令人兴奋的新发现和影响日常生活的奇妙量子技术，并将把我们带入量子未来，”纽约罗切斯特大学教授、冷原子实验室首席研究员尼克·毕格罗说。

更多信息：Jason R. Williams 等人，探路者在国际空间站上的冷原子实验室用原子干涉测量进行实验，《自然通讯》（2024 年）。DOI： 10.1038/s41467-024-50585-6