此圖像演示了Goddard-AOSense團(tuán)隊(duì)對(duì)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(cè)量值，這是邁向下一代大地測(cè)量，水文學(xué)和氣候監(jiān)測(cè)任務(wù)的墊腳石。

該原型傳感器與美國(guó)國(guó)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(cè)量技術(shù)，稱為原子干涉測(cè)量技術(shù)，這是美國(guó)前能源部部長(zhǎng)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(jiǎng)。

自發(fā)現(xiàn)以來，全世界的研究人員都在嘗試構(gòu)建實(shí)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(jì)劃的資助下，Goddard-AOSense團(tuán)隊(duì)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(shí)間變化的引力場(chǎng)。盡管地球引力場(chǎng)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(chǎng)

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(jìng)爭(zhēng)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(shí)際上會(huì)填滿整個(gè)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(shí)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(cè)量物體的微小位移。光學(xué)干涉儀通過比較在兩個(gè)不同路徑之間分離的光來獲得測(cè)量值。當(dāng)來自這兩個(gè)路徑的光束重新組合時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生干涉條紋圖案，科學(xué)家可以對(duì)其進(jìn)行檢查以獲得高精度的測(cè)量結(jié)果。

Goddard-AOSense團(tuán)隊(duì)制造了這款地面概念驗(yàn)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(duì)重力信號(hào)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(gè)波復(fù)合，兩個(gè)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(duì)重力場(chǎng)的極其精確的測(cè)量。

特別是，該團(tuán)隊(duì)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?yàn)（GRACE）后續(xù)任務(wù)當(dāng)前產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型。GRACE-FO是一項(xiàng)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(shí)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(duì)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(jiǎng)獲得者約翰·馬瑟說：“借助這項(xiàng)新技術(shù)，我們可以測(cè)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)。”因在NASA的“宇宙背景探索器”上的工作而獲得物理學(xué)獎(jiǎng)，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(cè)器探訪行星，衛(wèi)星，小行星和彗星時(shí)，我們可以測(cè)量它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)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(jiǎng)引力波的測(cè)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(shí)空結(jié)構(gòu)中的波紋會(huì)向各個(gè)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(tái)和歐洲處女座探測(cè)器已經(jīng)探測(cè)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(shí)和能力，涵蓋了用于精確導(dǎo)航和計(jì)時(shí)的高級(jí)傳感器的開發(fā)和表征的各個(gè)方面。