原子干涉仪在地球上被科学家和工程师用来研究重力的基本性质，并推进有助于飞机和船只导航的技术。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，但这种极其灵敏的设备被认为过于脆弱，在没有实际帮助的情况下无法长时间运行。
近日，美国国家航空航天局（NASA）首次在太空中展示“超冷”量子传感器，这种传感器利用了超冷原子，能够精确测量重力、磁场和其他力量。NASA的冷原子实验室（Cold Atom Lab，简称CAL）是国际空间站上的首个此类设施，它通过使用一种名为原子干涉仪的量子工具，成功地测量了空间站的微小振动，这是首次使用超冷原子来检测太空中周围环境的变化，朝着改变量子科学在太空中的应用又迈出了一步。
相关研究成果于8月13日发表在《Nature Communications》期刊中（DOI：10.1038/s41467-024-50585-6）。
这项研究还报告了在太空中自由落体状态下原子波动性质的最长演示时间。
精准的力量
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，从而产生微妙的重力变化。
这种类型的测量已经由美国-德国合作GRACE-FO（重力恢复和气候实验后续）进行，该合作检测重力的微小变化，以跟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，揭示更多关于表面质量变化的细节。
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，这是两个主要的宇宙学谜团。暗物质是一种看不见的物质，在宇宙中比组成行星、恒星和我们所能看到的一切的“常规”物质常见五倍。暗能量是指宇宙加速膨胀的未知驱动因素。
弗吉尼亚大学教授Cass Sackett是冷原子实验室的首席研究员，也是这项新研究的合著者，他说：“原子干涉术也可以用新的方式来检验爱因斯坦的广义相对论。”。“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。这项技术可能有助于我们填补这些空白，让我们更全面地了解我们所居住的现实。”
2018年，冷原子实验室发射到空间站，其大小约为一个迷你山脊，目标是通过将一个长期设施置于低地球轨道的微重力环境中来推进量子科学。该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，这是一种所有原子基本上共享相同量子身份的物质状态。因此，一些原子的典型微观量子特性变得宏观，使其更容易研究。
量子特性包括有时像固体粒子，有时像波。科学家们不知道所有物质的这些构建块是如何在如此不同的物理行为之间转换的，但他们正在使用冷原子实验室提供的量子技术来寻找答案。
在微重力环境下，玻色-爱因斯坦凝聚体可以达到较低的温度并存在更长时间，为科学家提供了更多研究它们的机会。原子干涉仪是该设施中利用原子的量子特性进行精确测量的几种工具之一。
由于其波动性，单个原子可以同时沿两条物理上独立的路径行进。如果重力或其他力作用在这些波浪上，科学家可以通过观察波浪如何重新组合和相互作用来测量这种影响。
纽约罗切斯特大学教授、该研究的合著者美国和德国科学家联盟的冷原子实验室首席研究员Nick Bigelow表示：“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。”。
