美国宇航局首次在太空展示“超冷”量子传感器

未来的太空任务可以使用量子技术追踪地球上的水，探索卫星和其他行星的组成，或探测神秘的宇宙现象。

美国宇航局的冷原子实验室是国际空间站上首个此类设施，它朝着彻底改变量子科学在太空中的应用又迈出了一步。科学团队成员利用实验室的机载工具之一测量了空间站的细微振动——这是超冷原子首次用于探测太空周围环境的变化。

该项研究于 8 月 13 日发表在《自然通讯》杂志上，还报告了对太空自由落体中原子波动性质的最长演示。

冷原子实验室科学团队使用一种名为原子干涉仪的量子工具进行测量，该工具可以精确测量重力、磁场和其他力。地球上的科学家和工程师使用这种工具研究重力的基本性质并推进辅助飞机和船舶导航的技术。（手机、晶体管和 GPS 只是其他几种基于量子科学但不涉及原子干涉测量的主要技术。）

物理学家们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，但这种极其敏感的设备被认为过于脆弱，无法在没有手动协助的情况下长时间运行。冷原子实验室是在地球上远程操作的，现在已经证明这是可能的。  

“达到这一里程碑极具挑战性，我们的成功并非总是必然的，”美国宇航局南加州喷气推进实验室冷原子实验室项目科学家杰森·威廉姆斯说。“团队需要奉献精神和冒险精神才能实现这一目标。”

精准的力量

能够高精度测量重力的太空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成分，因为不同物质的密度不同，从而导致重力的细微变化。

此类测量已由美国和德国合作的GRACE-FO（重力恢复和气候实验后续项目）进行，该项目通过检测重力的细微变化来追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，揭示有关表面质量变化的更多细节。

精确测量引力还能帮助我们了解暗物质和暗能量的本质，这是两大宇宙学谜团。暗物质是一种看不见的物质，在宇宙中比构成行星、恒星和我们能看到的一切的“常规”物质多五倍。暗能量是宇宙加速膨胀的未知驱动因素的名称。

“原子干涉测量法还可以用于以新的方式测试爱因斯坦的广义相对论，”弗吉尼亚大学教授、冷原子实验室首席研究员、新研究的合著者卡斯·萨克特 (Cass Sackett) 表示。“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理解得并不正确。这项技术可以帮助我们填补这些空白，让我们更全面地了解我们所处的现实。”

便携式实验室

美国宇航局的冷原子实验室研究原子的量子性质，原子是宇宙的组成部分，它位于一个超乎寻常的地方——国际空间站。这个动画解释器探索了什么是量子科学，以及 NASA 为什么要在太空中进行量子科学。图片来源：NASA/JPL-Caltech

冷原子实验室大约有一台迷你冰箱那么大，于 2018 年发射到空间站，目标是通过在低地球轨道的微重力环境中放置一个长期设施来推动量子科学的发展。该实验室将原子冷却到接近绝对零度，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具有相同量子身份的物质状态。因此，一些原子通常微观的量子特性变得宏观，使它们更容易研究。

量子特性包括有时像固体粒子一样，有时像波一样。科学家不知道所有物质的这些构成要素如何在如此不同的物理行为之间转变，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-爱因斯坦凝聚态可以达到更低的温度并存在更长时间，这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的几种工具之一，利用原子的量子特性实现精确测量。

由于其波状行为，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于这些波，科学家可以通过观察波如何重新组合和相互作用来测量这种影响。

“我预计，太空原子干涉测量法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，并将我们带入量子未来，”纽约罗彻斯特大学教授、冷原子实验室首席研究员、美国和德国科学家联盟共同作者尼克·比奇洛 (Nick Bigelow) 说。

更多关于任务的信息

JPL 是加州理工学院帕萨迪纳分校的一个部门，它设计并建造了冷原子实验室，该实验室由位于华盛顿的 NASA 科学任务理事会生物和物理科学(BPS) 部门赞助。BPS 是科学发现的先驱，它利用太空环境开展地球上无法进行的研究，从而实现探索。在极端条件下研究生物和物理现象，使研究人员能够推进在太空中走得更远、停留时间更长所需的基本科学知识，同时也使地球上的生命受益。 

要了解有关冷原子实验室的更多信息，请访问：https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/