日前，来自英国伯（bó）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（shǐ）用（yòng）冷铷原子云作为（wéi）传感器，感知重力的（de）微弱变（biàn）化，从而对重力进行高（gāo）精度的测量，可能在日后被用（yòng）于石（shí）油、天然气和矿产的探测。
更重要（yào）的是，它实现了（le）将“引力波（bō）”、“叠加态”等抽象量子物（wù）理概念在生活（huó）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。
图丨（shù）量子“重力仪”
尽管量子重力仪的原理和宇宙中的引力波测量的基本原（yuán）理相似，但在英国研究（jiū）者们的规划中（zhōng），目前最适合量（liàng）子重力仪（yí）的工作是地球上的（de）矿产探测。他们是这么（me）解释的：如果两朵原子云在（zài）不同地点的（de）下落速度不同，那么就意味（wèi）着下方的地面密（mì）度是不同的——这种情况就意味着地下可能会有特殊结构，比（bǐ）如贮藏了（le）石油（yóu）或某些矿产。
设备（bèi）开发者之一、伯（bó）明翰大学教授 Kai Bongs 表示：“这台（tái）设备背（bèi）后的原理其实就是：任何质量（liàng）都会产生引力场，并能够被精度非常高的引力传感器检测（cè）到”。由于密度大的矿产物质能比普通土地产生更大的（de）引力，重力仪很有可能成为帮助寻找石油、矿产驻藏地的强（qiáng）大工具。也正是因为这（zhè）个原因，石油、天然气行业对重力仪抱有极大的兴趣。
除（chú）此之外，建（jiàn）筑公（gōng）司（sī）也可以使用量子重力仪定位（wèi）地下管道，以防不慎挖开错误的道路，造成（chéng）管道破坏和（hé）后续经济损失。
图（tú）丨伯明翰大学教（jiāo）授 Kai Bongs
目（mù）前，石（shí）油工人和建筑测绘者（zhě）们（men）能够使用的测绘设备（bèi）非常笨重、难以使用，并（bìng）且其精度远不如量子重力仪。因此，Bongs 教授也对重力仪在这些方面的优势非常（cháng）自豪：“这一设（shè）备令人兴奋的地方在于它能（néng）够将（jiāng）传统重力测绘设（shè）备的检测效率提高（gāo）100倍，同时能让我们看见目前所观测不到的一些信息。这些改进（jìn）背后的原因是（量子重（chóng）力仪）能（néng）进行（háng）准确、无漂移的重力测量，并且能使用同一束激光轰（hōng）击高度不同的两朵原（yuán）子云。这样的操作能（néng）够极大减（jiǎn）少共模噪音。”
Bongs 教授还认为，量子重力仪（yí）在日后可以被用于地震测绘或（huò）者（zhě）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（zhī）……如果进一步深入，我们的传感（gǎn）器甚至可能被用来监测岩浆流量，并为地（dì）震和火山活动模型（xíng）提（tí）供数（shù）据信息，继（jì）而在自然灾害的预警中（zhōng）发挥作用。”
图（tú）丨重力仪将可被用于各种自然灾害的预警
目前，研究者（zhě）们仅仅研发了量子重力仪的一台原型机（jī）。这（zhè）台原型机在使用中还（hái）有一些局（jú）限性，例如在外界干（gàn）扰下，量子重力仪中原子的相干态会被（bèi）破坏，即发（fā）生（shēng）类似于量子计算机中（zhōng）的退相干效应。因此，所有的量子系统（tǒng）或（huò）设备都必（bì）须（xū）非常（cháng）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（zhōng）的应用。不过，随着激光冷却等技术的进一步发展，研（yán）究人员（yuán）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（mù）前已有商业产品，其性（xìng）能也已（yǐ）逼近使（shǐ）用传（chuán）统技术的商（shāng）用重力仪（FG5）的性能。同时，量子（zǐ）重力仪除了精（jīng）度高，还有造价（jià）低（约（yuē）FG5价格的1/5）、维（wéi）护简（jiǎn）易（不存在机械（xiè）落体结构）等优点。
图（tú）丨伯明翰大（dà）学（xué）重力仪研究组（zǔ）成员（yuán） Graeme Malcolm
原子干涉仪也将仅仅是（shì）实现量子设备（bèi）商（shāng）业化的一个案例。在（zài）这一案例的推动下，不少（shǎo）研究者们都在开（kāi）发能（néng）在实（shí）际生活中大规模使用的量子设备。Malcolm 所创办的苏（sū）格兰格拉斯哥光子技术公司 M Squared 就同时在（zài）开发一个量子（zǐ）加速度计。这一加速度计能够辅助 GPS 定（dìng）位，从而抵消天气对于探测结果的影响（xiǎng）。除此之外，他们还将开发帮助观测者（zhě）“看见”隐型气体的量（liàng）子设备。
图丨M Squared公司的激光产品
对于量（liàng）子设备的开发热潮，Malcolm 对（duì）市场（chǎng）有这样的评价：“我认为，我们正处于量子技术进行商业（yè）应用的早期阶段。”
对此，加州理工学院（yuàn）的研究人员 Spyridon Michalakis 也持有着类似的观点。他断言（yán），未来是量子技术的世界。
“目（mù）前，很多科技让我们觉得理所当然，但它们的（de）基础其实是量子物理。只是我（wǒ）们近期才开始研究这些技术体（tǐ）系背后的量子属性，来制（zhì）造极其精确（què）、低成（chéng）本和简化的设备，从而将我们之（zhī）前使用的那些设（shè）备进行（háng）升级，量子重力仪就（jiù）是其中一例（lì）。”
图丨加州理工（gōng）学院研究人员 Spyridon Michalakis
背后的原理
实际上，量子重力仪的原理与 LIGO 科研协会（huì）用来检测黑洞碰撞导致（zhì）的引力波的方法具有相关性。众所周（zhōu）知，LIGO （Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉引力波观测台）最重要（yào）的作用是能够以（yǐ）非常高（gāo）的（de）精度探测宇宙中的引力波，进而为引力理论、相对论、天（tiān）体物理、宇（yǔ）宙学、粒子物理以及核物理等领域（yù）的研究打下基础。
目前，LIGO 的两座大型干涉仪分别位于美国南海岸（àn） Livingston 和美国西北海岸 Hanford，其原理是（shì）用这两座激光干涉仪同步探测宇宙（zhòu）深处的引力波。实际上，激光干涉仪是对距离（lí）进行测量。当物质波通过时，会导致 LIGO 中激光（guāng）干涉仪所测量的距离发生变化，这些微小的（de）变化能够反映为 LIGO 相位（wèi）的变化。通过检测这种相位变化，即可获取物质波的相关信息。
图丨LIGO 两座大型干涉仪
2016 年（nián） 2 月，LIGO 公布在前一（yī）年（nián） 9 月首次直接（jiē）探测到引力波——这是人类第（dì）一次探测到引（yǐn）力波，同时也是首次观测到双（shuāng）黑（hēi）洞的碰撞与并合。在第一次观测到引力波之后，LIGO 又成功观测了第二（èr）次、第三次引力波事件。
LIGO 的巨大成就背后，精确度极高的激光干涉仪功不可没。事实上，在所有的物理量中，人们对于激光频率（lǜ）的控制、测量精度也是最高的，但由于光子（zǐ）本身（shēn）性质的限制，激光干涉（shè）仪也（yě）面临非常（cháng）多的（de）局限。其中一个问题就在于（yú），光子没有质量，无法测量（liàng）重力，而重力的测量在矿藏勘（kān）探、土地测绘、精确导航方面有着极其重要的应用（yòng）。
图丨传统重力仪
得益于德布罗伊的波粒二象性理论，基于（yú）原子物质波干涉的原子干涉仪的（de）出现，使得人们的梦想得以实现，而英国科学家此（cǐ）次研制（zhì）的量子（zǐ）重力仪就是其中一例（lì）。
实际上（shàng），原子干涉仪与 LIGO 这样的激光干涉（shè）仪非常类似，但不同之处是将 LIGO 中的激光脉冲替换为原（yuán）子（zǐ）物质波，利用激光操控原子物质波进行干涉。由于（yú）原子具有静质量，因此可以和重力相互作用（yòng），这些相互作用继而反映在（zài）干涉仪的相位中，由此形成了原子重力仪。
在此重力仪的工作过程中（zhōng），处于超高真空腔（qiāng）体的原子首先被制备到某一特定（dìng）的态，然后进行自由落体。在此过程中，原子受到激光脉冲的作用，处于叠加态，也就是说它（tā）们同时有两个态（tài）——可以参（cān）考薛（xuē）定（dìng）谔的猫，它就是死猫状态和活猫状态的混合体。经过（guò）三次激光脉冲的作（zuò）用，原子（zǐ）物质波实现分束、合束和干涉。
实际上，这（zhè）些激光（guāng）脉冲的作用相当于光做的标尺，它们将及时记录下一些（xiē）关键位置，由于光频控制非常精确，因此这些标尺对原子位置（zhì）的测（cè）量也具有很（hěn）高的精（jīng）度。之（zhī）后，原子的状态被测量，此时原子的叠加态不再存在，但原子干涉的相位（wèi）决定了原（yuán）子分布于两（liǎng）个态的概（gài）率。通过测量这个概率，可以得到原子演化的路径信息，进而推（tuī）算重力。
原子（zǐ）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（sī）发明的激光冷却和陷俘原子技术。在量（liàng）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（zhì）80微开（microkelvin）——仅仅略高于绝对零度。在这种温度（dù）下，人（rén）们才能操控和（hé）实现原子干涉。
图丨获奖者朱棣文、塔诺季和菲利普斯
因为量子重力仪使用的（de）是激（jī）光（guāng）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（jǐn）有约 1 立方米大小。伯明（míng）翰大学重力仪研究组成员 Graeme Malcolm称，量子重（chóng）力仪中的激（jī）光、真空室等部件（jiàn）还有可能继续缩小。这（zhè）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（de）将来，可靠、可扩展的量子计算机、室（shì）温下就能悬浮的廉价材（cái）料、通过量子传（chuán）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（de）技术都将成为现（xiàn）实。
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