近日，NASA宣布開發(fā)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(wù)由NASA地球科學(xué)部下屬地球科學(xué)技術(shù)辦公室資助，目前正由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（以下簡稱JPL）、Goddard太空飛行中心及美國工業(yè)界聯(lián)合實(shí)施，預(yù)計(jì)將于2030年完成交付，并實(shí)現(xiàn)與航天器的集成。QGGPf體積約0.25立方米，重125公斤，比傳統(tǒng)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(zhì)量”

為什么要開發(fā)量子重力傳感器？“我們能用原子測量喜馬拉雅山脈的質(zhì)量”。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室地球科學(xué)首席技術(shù)專家、量子太空創(chuàng)新中心主任Jason Hyon這句話給出了答案。

地球重力場是動態(tài)變化的——隨著地質(zhì)變遷對地表物質(zhì)的重新分配，重力分布也隨之改變。物質(zhì)越密集，重力作用越強(qiáng)。日常生活中，人們難以察覺這些細(xì)微的重力變化，但借助高靈敏度量子探測儀器，科學(xué)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(guān)聯(lián)。這類重力地圖對導(dǎo)航、資源管理和國家安全至關(guān)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(qiáng)區(qū)域，藍(lán)色代表較弱區(qū)域。中美洲南部至南美洲西海岸呈紅色，大西洋以藍(lán)色為主，太平洋則呈現(xiàn)黃至青綠色調(diào)。

未來，科學(xué)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(yīng)用于近地軌道衛(wèi)星觀測，成為單一航天器獲取地球質(zhì)量變化數(shù)據(jù)的可行測量工具，其分辨率可媲美甚至超越GRACE-FO[1]衛(wèi)星現(xiàn)有測繪成果[2]。Jason Hyon在近期發(fā)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(chuàng)新中心主任Jason Hyon等發(fā)表論文《面向未來質(zhì)量變化科學(xué)的量子重力梯度測量學(xué)》。

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(qiáng)處，物體下落更快。

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

JPL實(shí)驗(yàn)物理學(xué)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(jié)果一致，且受環(huán)境干擾更小。”

“尚未有人嘗試在太空運(yùn)行此儀器”

2022年，來自英國量子技術(shù)傳感器與計(jì)時中心和伯明翰大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用量子重力儀器，通過探測與管道相關(guān)的微重力變化，發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)室，為人類打開“地下世界地圖”。

▲量子重力儀發(fā)現(xiàn)的地下隧道

▲量子技術(shù)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(shí)現(xiàn)量子重力傳感器在太空的落地應(yīng)用，還需同步推進(jìn)多項(xiàng)技術(shù)成熟化工作。此量子重力傳感器計(jì)劃于2030年開展技術(shù)驗(yàn)證。“尚未有人嘗試在太空運(yùn)行此類儀器，”JPL博士后研究員Ben Stray表示，“我們必須通過實(shí)際飛行來驗(yàn)證其性能，這不僅會推動量子重力傳感器發(fā)展，還將促進(jìn)整體量子技術(shù)進(jìn)步。”

NASA與多家企業(yè)在該項(xiàng)目中開展合作：JPL團(tuán)隊(duì)與美國本土傳感技術(shù)代表性企業(yè)AOSense、美國量子計(jì)算企業(yè)Infleqtion共同研發(fā)傳感技術(shù)，Goddard太空飛行中心則與量子傳感器公司Vector Atomic合作開發(fā)激光光學(xué)系統(tǒng)。

這項(xiàng)任務(wù)還將為石油儲量、全球淡水供應(yīng)等領(lǐng)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(xué)和基礎(chǔ)物理學(xué)研究。這項(xiàng)探路任務(wù)取得的創(chuàng)新，不僅將提升地球研究能力，更有望揭開關(guān)于遙遠(yuǎn)行星和宇宙的更多奧秘。”

[1] Grace-FO衛(wèi)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(xué)研究中心（GFZ）的合作項(xiàng)目，旨在促進(jìn)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).