利用发现引力波的原理来挖石油,量子设备的商业化趋势已现


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。


图丨量子“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。


图丨伯明翰大学教授 Kai Bongs


目前,石油工人和建筑测绘者们能够使用的测绘设备非常笨重、难以使用,并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自豪:“这一设备令人兴奋的地方在于它能够将传统重力测绘设备的检测效率提高100倍,同时能让我们看见目前所观测不到的一些信息。这些改进背后的原因是(量子重力仪)能进行准确、无漂移的重力测量,并且能使用同一束激光轰击高度不同的两朵原子云。这样的操作能够极大减少共模噪音。”


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。”


图丨重力仪将可被用于各种自然灾害的预警


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。


图丨伯明翰大学重力仪研究组成员 Graeme Malcolm


原子干涉仪也将仅仅是实现量子设备商业化的一个案例。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。


图丨M Squared公司的激光产品


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。”


图丨加州理工学院研究人员 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。


目前,LIGO 的两座大型干涉仪分别位于美国南海岸 Livingston 和美国西北海岸 Hanford,其原理是用这两座激光干涉仪同步探测宇宙深处的引力波。实际上,激光干涉仪是对距离进行测量。当物质波通过时,会导致 LIGO 中激光干涉仪所测量的距离发生变化,这些微小的变化能够反映为 LIGO 相位的变化。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 2 月,LIGO 公布在前一年 9 月首次直接探测到引力波——这是人类第一次探测到引力波,同时也是首次观测到双黑洞的碰撞与并合。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,人们对于激光频率的控制、测量精度也是最高的,但由于光子本身性质的限制,激光干涉仪也面临非常多的局限。其中一个问题就在于,光子没有质量,无法测量重力,而重力的测量在矿藏勘探、土地测绘、精确导航方面有着极其重要的应用。


图丨传统重力仪


得益于德布罗伊的波粒二象性理论,基于原子物质波干涉的原子干涉仪的出现,使得人们的梦想得以实现,而英国科学家此次研制的量子重力仪就是其中一例。


实际上,原子干涉仪与 LIGO 这样的激光干涉仪非常类似,但不同之处是将 LIGO 中的激光脉冲替换为原子物质波,利用激光操控原子物质波进行干涉。由于原子具有静质量,因此可以和重力相互作用,这些相互作用继而反映在干涉仪的相位中,由此形成了原子重力仪。


在此重力仪的工作过程中,处于超高真空腔体的原子首先被制备到某一特定的态,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,也就是说它们同时有两个态——可以参考薛定谔的猫,它就是死猫状态和活猫状态的混合体。经过三次激光脉冲的作用,原子物质波实现分束、合束和干涉。


实际上,这些激光脉冲的作用相当于光做的标尺,它们将及时记录下一些关键位置,由于光频控制非常精确,因此这些标尺对原子位置的测量也具有很高的精度。之后,原子的状态被测量,此时原子的叠加态不再存在,但原子干涉的相位决定了原子分布于两个态的概率。通过测量这个概率,可以得到原子演化的路径信息,进而推算重力。


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。


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。


-End-



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