日前,来自英国伯明翰大学的科学家们制造出了一台“量子重力仪”设备。这台1立方米大小的设备使用冷铷原子云作为传感器,感知重力的微弱变化,从而对重力进行高精度的测量,可能在日后被用于石油、天然气和矿产的探测。更重要的是,它实现了将“引力波”、“叠加态”等抽象量子物理概念在生活中简易、便携的应用,并且很有可能为量子设备开辟一条新的商业化道路。
尽管量子重力仪的原理和宇宙中的引力波测量的基本原理相似,但在英国研究者们的规划中,目前最适合量子重力仪的工作是地球上的矿产探测。他们是这么解释的:如果两朵原子云在不同地点的下落速度不同,那么就意味着下方的地面密度是不同的——这种情况就意味着地下可能会有特殊结构,比如贮藏了石油或某些矿产。
设备开发者之一、伯明翰大学教授Kai Bongs表示:“这台设备背后的原理其实就是:任何质量都会产生引力场,并能够被精度非常高的引力传感器检测到”。由于密度大的矿产物质能比普通土地产生更大的引力,重力仪很有可能成为帮助寻找石油、矿产驻藏地的强大工具。也正是因为这个原因,石油、天然气行业对重力仪抱有极大的兴趣。
除此之外,建筑公司也可以使用量子重力仪定位地下管道,以防不慎挖开错误的道路,造成管道破坏和后续经济损失。Bongs教授还认为,量子重力仪在日后可以被用于地震测绘或者海啸、火山喷发等自然灾害的预警。“这一设备能让人们更好地观测地下的无限未知……如果进一步深入,我们的传感器甚至可能被用来监测岩浆流量,并为地震和火山活动模型提供数据信息,继而在自然灾害的预警中发挥作用。”
目前,研究者们仅仅研发了量子重力仪的一台原型机。这台原型机在使用中还有一些局限性,例如在外界干扰下,量子重力仪中原子的相干态会被破坏,即发生类似于量子计算机中的退相干效应。因此,所有的量子系统或设备都必须非常仔细地被放置于屏蔽外界干扰的场所。这些条件限制了它们在现实世界中的应用。不过,随着激光冷却等技术的进一步发展,研究人员对解决这些问题还是非常有信心。
事实上,以原子干涉仪为代表的量子精密测量技术一直走在量子科学发展的前沿。基于冷原子干涉仪的重力仪目前已有商业产品,其性能也已逼近使用传统技术的商用重力仪(FG5)的性能。同时,量子重力仪除了精度高,还有造价低(约FG5价格的1/5)、维护简易(不存在机械落体结构)等优点。
在这一案例的推动下,不少研究者们都在开发能在实际生活中大规模使用的量子设备。Malcolm所创办的苏格兰格拉斯哥光子技术公司M Squared就同时在开发一个量子加速度计。这一加速度计能够辅助GPS定位,从而抵消天气对于探测结果的影响。除此之外,他们还将开发帮助观测者“看见”隐型气体的量子设备。
对于量子设备的开发热潮,Malcolm对市场有这样的评价:“我认为,我们正处于量子技术进行商业应用的早期阶段。”对此,加州理工学院的研究人员Spyridon Michalakis也持有着类似的观点。他断言,未来是量子技术的世界。“目前,很多科技让我们觉得理所当然,但它们的基础其实是量子物理。
只是我们近期才开始研究这些技术体系背后的量子属性,来制造极其精确、低成本和简化的设备,从而将我们之前使用的那些设备进行升级,量子重力仪就是其中一例。”
实际上,量子重力仪的原理与LIGO科研协会用来检测黑洞碰撞导致的引力波的方法具有相关性。众所周知,LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,激光干涉引力波观测台)最重要的作用是能够以非常高的精度探测宇宙中的引力波,进而为引力理论、相对论、天体物理、宇宙学、粒子物理以及核物理等领域的研究打下基础。
原子干涉仪的技术实现还要得益于1997年的诺贝尔奖——朱棣文、塔诺季和菲利普斯发明的激光冷却和陷俘原子技术。在量子重力仪中,原子云悬空于篮球大小的真空室中,激光将原子陷俘,并将其温度冷却至80微开(microkelvin)——仅略高于绝对零度。在这种温度下,人们才能操控和实现原子干涉。因为量子重力仪使用的是激光冷却,而不是体积庞大的低温制冷,所以目前的重力仪原型仅有约1立方米大小。
伯明翰大学重力仪研究组成员Graeme Malcolm称,量子重力仪中的激光、真空室等部件还有可能继续缩小。这样的话,量子重力仪将会在未来更易于携带。无论如何,顺着这个趋势发展下去,在不久的将来,可靠、可扩展的量子计算机、室温下就能悬浮的廉价材料、通过量子传输传送信息、拥有前所未有的安全性的量子网络,这些在现在看来充满未来感的技术都将成为现实。