此圖像演示了Goddard-AOSense團(tuán)隊對原子路徑的控制。在此演示中，他們操縱了路徑以形成縮寫NASA。圖片來源：AOSense，Inc.

NASA和總部位于加利福尼亞州桑尼維爾的AOSense公司已成功構(gòu)建并展示了一種量子傳感器原型，該量子傳感器能夠獲得高度靈敏且精確的重力測量值，這是邁向下一代大地測量，水文學(xué)和氣候監(jiān)測任務(wù)的墊腳石。

該原型傳感器與美國國家航空航天局位于馬里蘭州格林貝爾特的戈達(dá)德太空飛行中心合作開發(fā)，采用了一種革命性的測量技術(shù)，稱為原子干涉測量技術(shù)，這是美國前能源部部長朱Secretary文及其同事在1980年代后期發(fā)明的。1997年，Chu因其工作獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

自發(fā)現(xiàn)以來，全世界的研究人員都在嘗試構(gòu)建實用，緊湊，更靈敏的量子傳感器，例如原子干涉儀，科學(xué)家可以在空間受限的區(qū)域（包括航天器）中使用。

在NASA的小型企業(yè)創(chuàng)新研究，儀器孵化器和Goddard的內(nèi)部研究與開發(fā)計劃的資助下，Goddard-AOSense團(tuán)隊開發(fā)了一種原子光學(xué)重力梯度儀，主要用于繪制地球隨時間變化的引力場。盡管地球引力場發(fā)生變化的原因多種多樣，但最主要的原因是水質(zhì)的變化。如果冰川或冰蓋融化，將影響質(zhì)量分布，從而影響地球的引力場

戈達(dá)德光學(xué)物理學(xué)家和合作者Babak Saif說：“我們的傳感器比具有相似靈敏度目標(biāo)的競爭傳感器要小�！� “以前的基于原子干涉儀的儀器所包含的組件實際上會填滿整個房間。與之相比，我們的傳感器緊湊而高效。它可以在航天器上使用，以獲取用于理解地球水循環(huán)及其響應(yīng)的非凡數(shù)據(jù)集。實際上，這種傳感器是未來在各種科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行的NASA任務(wù)的候選人。”

原子干涉儀的工作原理與光學(xué)干涉儀非常相似，光學(xué)干涉儀是一種具有200年歷史的技術(shù)，在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域用于測量物體的微小位移。光學(xué)干涉儀通過比較在兩個不同路徑之間分離的光來獲得測量值。當(dāng)來自這兩個路徑的光束重新組合時，它們會產(chǎn)生干涉條紋圖案，科學(xué)家可以對其進(jìn)行檢查以獲得高精度的測量結(jié)果。

Goddard-AOSense團(tuán)隊制造了這款地面概念驗證重力梯度儀。圖片來源：AOSense，Inc.

但是，原子干涉法取決于量子力學(xué)，該理論描述了物質(zhì)在亞微觀尺度下的行為。對重力信號高度敏感的原子也可以像光波一樣被哄騙起來。特殊的脈沖激光可以分裂和操縱原子波以傳播不同的路徑。一旦兩個波復(fù)合，兩個原子波將與重力相互作用，從而影響產(chǎn)生的干涉圖樣�？茖W(xué)家然后可以分析這種模式，以獲得對重力場的極其精確的測量。

特別是，該團(tuán)隊正在將其量子傳感器視為一種潛在技術(shù)，以收集NASA重力恢復(fù)和氣候?qū)嶒灒℅RACE）后續(xù)任務(wù)當(dāng)前產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型。GRACE-FO是一項由兩顆衛(wèi)星組成的任務(wù)，每月生成一次重力圖，以顯示質(zhì)量如何分布以及質(zhì)量如何隨時間變化。戈達(dá)德光學(xué)專家李·費(fèi)恩伯格說，由于其非凡的精確性，如果將量子傳感器部署在互補(bǔ)軌道的第二顆衛(wèi)星上，則可以消除對雙衛(wèi)星系統(tǒng)的需求，甚至可以提供更高的精度。

戈達(dá)德的科學(xué)家，諾貝爾獎獲得者約翰·馬瑟說：“借助這項新技術(shù)，我們可以測量由于冰蓋融化，干旱和地下水供應(yīng)排水而引起的地球重力變化，從而極大地改善了GRACE的開創(chuàng)性任務(wù)�！币蛟贜ASA的“宇宙背景探索器”上的工作而獲得物理學(xué)獎，該發(fā)現(xiàn)有助于鞏固宇宙的大爆炸理論。

但是，該儀器可用于回答其他科學(xué)問題。

“當(dāng)我們發(fā)送探測器探訪行星，衛(wèi)星，小行星和彗星時，我們可以測量它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這項技術(shù)是如此強(qiáng)大，甚至可以擴(kuò)展來自遙遠(yuǎn)黑洞的諾貝爾獎引力波的測量結(jié)果，并觀察到新的頻率范圍，”馬瑟說，指的是在2015年確認(rèn)的宇宙引力波。從字面上看，時空結(jié)構(gòu)中的波紋會向各個方向輻射，就像石頭扔進(jìn)池塘一樣。自最初確認(rèn)以來，激光干涉儀引力波天文臺和歐洲處女座探測器已經(jīng)探測到其他事件。

自2004年以來，AOSense已開發(fā)了量子傳感器和原子鐘，具有廣泛的專業(yè)知識和能力，涵蓋了用于精確導(dǎo)航和計時的高級傳感器的開發(fā)和表征的各個方面。