近日，来自美国国家航空航天局（NASA）位于南加州的喷气推进实验室、私营企业以及学术机构的研究人员，正在开发首个用于测量重力的太空量子传感器。该任务由NASA地球科学与技术办公室（ESTO）提供支持，这将是量子传感领域的首次尝试，并将为从石油储备到全球淡水供应等的开创性观测铺平道路。
地球的引力场是动态的，随着地质过程在地球表面重新分配质量，每天都在变化。质量越大，引力就越大。
在日常生活中，你不会察觉到这些细微的引力变化，但科学家可以利用称为重力梯度仪的敏感工具，绘制出地球引力场的细微差别，并将其与地下特征（如含水层和矿产储量）相关联。这些引力图对于导航、资源管理和国家安全至关重要。
“我们可以利用原子来确定喜马拉雅山脉的质量，”喷气推进实验室（JPL）地球科学首席技术专家兼 JPL 量子空间创新中心主任杰森·海恩（Jason Hyon）表示。海恩及其同事在《EPJ Quantum Technology》期刊最近的一篇论文中阐述了他们提出的量子重力梯度仪探路者（QGGPf）仪器背后的概念。
重力梯度仪通过追踪一个位置的下落物体与相距较短距离的另一个下落物体的下落速度来工作。这两个自由下落的物体（也称为测试质量块）之间的加速度差异对应于引力强度的差异。在引力较强的地方，测试质量块下落得更快。
量子重力梯度仪探路者（QGGPf）将使用两团超冷铷原子云作为测试质量块。这些原子云被冷却到接近绝对零度的温度，其中的粒子表现为波。量子重力梯度仪将通过测量这些物质波之间的加速度差异来定位引力异常。
JPL的实验物理学家Sheng-wey Chiow解释说，使用超冷原子云作为测试质量块，可以确保太空重力测量在长时间内保持准确。他表示：“使用原子，我可以保证每次测量结果都相同。我们对环境影响的敏感性较低。”
以原子作为测试质量块，还可以实现在单个航天器上搭载紧凑型仪器来测量引力。量子重力梯度仪探路者（QGGPf）的体积将约为 0.3 立方码（0.25 立方米），重量仅约 275 磅（125 千克），比传统太空重力仪器更小、更轻。
量子传感器还有望提高灵敏度。据一些估计，科学级量子重力梯度仪的引力测量灵敏度可能是经典传感器的十倍。
这项技术验证任务的主要目的是测试一系列用于在原子尺度上操控光与物质相互作用的新型技术，该任务计划在本十年末发射。
