研究人员准备在外太空进行量子传感

作为由多所大学研究团队组成的新 NASA 量子通路研究所的一部分，加州大学圣巴巴拉分校电气和计算机工程教授 Daniel Blumenthal 将帮助建立技术和工具，通过观察外层空间的原子来改进对重要气候因素的测量。

“我们正在窥视一个我们以前从未窥视过的宇宙，”他说。

在德克萨斯大学 (UT) 奥斯汀分校的同事的带领下，Blumenthal 和其他研究人员将专注于量子传感，这涉及观察原子如何对其环境的微小变化做出反应，并利用它来推断重力场的时间变化地球。这将使科学家能够提高测量几个重要气候过程的准确性，例如海平面上升、冰融化速度、陆地水资源变化和海洋蓄热变化。

“最近，量子方法取得了巨大进步，主要是在计算方面，”新项目负责人兼德克萨斯大学奥斯汀分校空间研究中心主任 Srinivas Bettadpur 说。“我们希望在太空中使用量子传感技术——在那里你可以看到整个地球——通过观察、解释和理解气候过程来解决下一代问题。”

新成立的量子通路研究所还包括来自科罗拉多大学博尔德分校、加州理工学院和美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员。

这将是建立所谓的“量子 2.0”的首次尝试——即超越物理学中已知的量子原理，并将它们实际转化为可用的设备概念。

研究人员将专门研究重力的变化及其对气候的影响。随着气候变化——冰盖融化，海平面和温度发生变化——地球周围和外层空间的引力也会发生变化。绕地球运行的原子对这些引力变化作出反应。通过测量这些反应，研究人员可以更好地了解气候过程的变化。

团队面临的挑战是双重的。这些传感技术的一部分今天已经存在，但他们正在构建的很多东西都是新的。

“为了做到这一点，我们必须采用占地球上 90% 的原子实验的激光、光子学、调制器和控制电子设备，并非常努力地工作，以将所有精度应用到小型、低功率芯片上可以部署在太空中，”Blumenthal 说，他自称为“激光人”，其研究专长在于可见光、原子和量子光子集成以及光学和通信技术。

他致力于帮助向芯片级发展的技术之一是科罗拉多大学开发的研究所的振动晶格干涉仪结构。这种类型的原子干涉仪传感器使用许多激光和光学器件来冷却和捕获原子，以极高的灵敏度测量重力梯度。

再加上将这些仪器送入轨道的挑战。

“你不能在太空中进行人工维护——一旦你把东西送出去，它就遥不可及;你看不到它，”Bettadpur 说。“你必须投入大量工作来确保仪器能够飞行并且技术能够运行数年，至少，以实现这些发现。”

要从头开始构建这项技术并使其进入太空，需要一支庞大而多元化的研究团队。Bettadpur 是轨道力学、重力场和太空任务设计方面的专家。Blumenthal 将与 UT Austin 的电气和计算机工程同事 Seth Bank 和 Dan Wasserman 合作，开发用于紧凑型芯片的光子(基于光的)集成电路，以测量来自太空的地球重力的微小变化。UT 奥斯汀航空航天工程与工程力学系副教授 Ufuk Topcu 将运用他在复杂系统建模方面的专业知识来开发量子传感系统模型，这些模型可用于提高其可靠性和自主运行——这两者都是无法进行设备维护的空间应用。

其他团队成员包括实验量子物理和仪器专家 Dana Anderson;Penina Axelrad，量子导航和计时专家;Murray Holland，理论物理学和量子机器学习;Marco Nicotra，量子光学控制，来自科罗拉多大学博尔德分校。来自加州理工学院的系统、航天和重力科学专家 Michael Watkins 也是该小组的成员。来自 NIST 的物理学家兼空间和量子应用精密测量专家米歇尔·斯蒂芬斯 (Michelle Stephens) 加入。

除了用于解决地球气候问题的重力感应之外，Blumenthal 认为这种极其敏感的基于空间的重力测量技术最终可以用于其他基于地球的应用以及未来的太空探索。

“它可能在空间站或地球静止卫星上，”他说。“或者他们可以被送往木星、金星或火星，以绘制出这些行星的引力图。”