近日，NASA宣布開發全球首臺太空量子重力傳感器Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder (以下簡稱QGGPf)，用于測量地球重力。該任務由NASA地球科學部下屬地球科學技術辦公室資助，目前正由NASA噴氣推進實驗室（以下簡稱JPL）、Goddard太空飛行中心及美國工業界聯合實施，預計將于2030年完成交付，并實現與航天器的集成。QGGPf體積約0.25立方米，重125公斤，比傳統天基重力儀器更輕巧，約為一個手提箱的大小。

“我們甚至能用原子測量喜馬拉雅山脈的質量”

為什么要開發量子重力傳感器？“我們能用原子測量喜馬拉雅山脈的質量”。NASA噴氣推進實驗室地球科學首席技術專家、量子太空創新中心主任Jason Hyon這句話給出了答案。

地球重力場是動態變化的——隨著地質變遷對地表物質的重新分配，重力分布也隨之改變。物質越密集，重力作用越強。日常生活中，人們難以察覺這些細微的重力變化，但借助高靈敏度量子探測儀器，科學家能繪制地球重力場的微妙差異，并將其與含水層、礦藏等地下特征關聯。這類重力地圖對導航、資源管理和國家安全至關重要。

這是一張顯示美洲大陸的地球重力分布圖。紅色代表重力較強區域，藍色代表較弱區域。中美洲南部至南美洲西海岸呈紅色，大西洋以藍色為主，太平洋則呈現黃至青綠色調。

未來，科學級量子重力傳感器將能以更高的精度繪制此類地圖。它有望應用于近地軌道衛星觀測，成為單一航天器獲取地球質量變化數據的可行測量工具，其分辨率可媲美甚至超越GRACE-FO[1]衛星現有測繪成果[2]。Jason Hyon在近期發表于《EPJ Quantum Technology》的論文中闡述了天基量子重力傳感器（QGGPf）的核心原理。

▲2025年3月，量子太空創新中心主任Jason Hyon等發表論文《面向未來質量變化科學的量子重力梯度測量學》。

量子重力傳感器通過比較兩個近距離自由落體的加速度差異來定位重力異常。在重力更強處，物體下落更快。

QGGPf將使用兩團超冷銣原子云作為測試質量體。這些原子被冷卻至接近絕對零度，其粒子會表現出波動特性。通過測量這兩團物質波的加速度差，將可以探測重力異常。

JPL實驗物理學家Sheng-wey Chiow解釋：“超冷原子云能確保天基重力測量長期保持精確。原子可保證每次測量結果一致，且受環境干擾更小。”

“尚未有人嘗試在太空運行此儀器”

2022年，來自英國量子技術傳感器與計時中心和伯明翰大學的研究團隊利用量子重力儀器，通過探測與管道相關的微重力變化，發現了一個埋在地下的隧道，該隧道承載著公用管道，在路面下約一米的位置。這意味著世界首臺量子重力儀走出實驗室，為人類打開“地下世界地圖”。

▲量子重力儀發現的地下隧道

▲量子技術如何解釋地下世界的圖示（上層為量子傳感器未來可探測到的圖像，中層為地面上的世界，下層為由量子傳感器揭示的“地下世界”）。

而未來要實現量子重力傳感器在太空的落地應用，還需同步推進多項技術成熟化工作。此量子重力傳感器計劃于2030年開展技術驗證。“尚未有人嘗試在太空運行此類儀器，”JPL博士后研究員Ben Stray表示，“我們必須通過實際飛行來驗證其性能，這不僅會推動量子重力傳感器發展，還將促進整體量子技術進步。”

NASA與多家企業在該項目中開展合作：JPL團隊與美國本土傳感技術代表性企業AOSense、美國量子計算企業Infleqtion共同研發傳感技術，Goddard太空飛行中心則與量子傳感器公司Vector Atomic合作開發激光光學系統。

這項任務還將為石油儲量、全球淡水供應等領域的突破性觀測鋪平道路。此外，Hyon提到：“QGGPf儀器將推動行星科學和基礎物理學研究。這項探路任務取得的創新，不僅將提升地球研究能力，更有望揭開關于遙遠行星和宇宙的更多奧秘。”

[1] Grace-FO衛星全稱The Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On，是是美國國家航空航天局（NASA）與德國地球科學研究中心（GFZ）的合作項目，旨在促進地球氣候研究。

[2] Stray, B., Bosch-Lluis, X., Thompson, R. et al. Quantum gravity gradiometry for future mass change science. EPJ Quantum Technol. 12, 35 (2025).