NASA量子重力感測器：太空探索的下一場革命

美國太空總署（NASA）正與合作夥伴共同打造全球首個太空量子重力感測器，這項突破性技術利用超冷原子來偵測地球重力場的微小變化。這款體積精巧卻極度靈敏的裝置，將徹底改變我們對地球與宇宙的認知，從探測地下水源到探索遙遠行星，應用範圍極其廣泛。

位於南加州的NASA噴射推進實驗室（JPL）科學家，攜手產業界與學術界夥伴，正在開發這項劃時代的量子感測技術。這項由NASA地球科學技術辦公室（ESTO）支援的計畫，標誌著量子感測領域的重大突破。若成功，將開啟觀測地球隱藏特徵的全新方式，包括地下水源、石油與礦藏等重要資源。

地球重力場並非固定不變，而是隨著地殼下的質量移動不斷變化。質量較大的區域會產生稍強的重力拉力。雖然這些細微變化在日常生活中難以察覺，但透過稱為重力梯度儀的精密儀器，科學家能夠精準測量並繪製重力分佈圖。這些重力圖能揭示地下結構，如含水層與礦床，對於導航、環境監測與國家安全具有重要價值。

JPL地球科學首席技術專家兼量子太空創新中心主任Jason Hyon表示：「我們甚至能用原子來測量喜馬拉雅山的質量。」Hyon與團隊成員近期在《EPJ量子技術》期刊發表論文，詳細闡述量子重力梯度儀先導計畫（QGGPf）的技術原理。

傳統重力梯度儀透過比較兩個相鄰測試質量（test mass）的自由落體加速度差異來測量重力變化。在重力較強的區域，測試質量會加速得更快。QGGPf則採用兩團超冷銣原子作為測試質量，當原子被冷卻至接近絕對零度時，其粒子會表現出波動特性。這款量子重力梯度儀正是透過測量這些物質波的加速度差異，來定位重力異常區域。

JPL實驗物理學家Sheng-wey Chiow解釋：「使用原子團作為測試質量，能確保太空重力測量長期保持精準。原子測量具有高度一致性，且較不易受環境因素影響。」此外，原子測試質量也使儀器得以小型化，QGGPf體積僅約0.25立方公尺，重量約125公斤，遠比傳統太空重力儀器輕巧。

量子感測器還具備更高的靈敏度優勢。據估算，科學級量子重力梯度儀的測量靈敏度可能比傳統儀器高出十倍。這項技術驗證任務預計於本年代末發射，主要目的是測試原子尺度下光與物質互動作用的新型操控技術。

JPL博士後研究員Ben Stray表示：「目前尚未有人嘗試在太空中操作這類儀器。我們需要實際飛行測試來評估其運作效能，這不僅能推進量子重力梯度儀發展，更能促進整體量子技術進步。」

這項技術開發計畫匯集了NASA與多家新創企業的合作成果。JPL團隊與AOSense、Infleqtion合作推進感測器技術，而NASA戈達德太空飛行中心則與Vector Atomic共同研發雷射光學系統。

Hyon強調：「QGGPf儀器將為行星科學與基礎物理研究開創新局。」這項先導任務所實現的技術突破，不僅能提升地球研究能力，更有助於理解遙遠行星與重力在宇宙形成過程中的關鍵作用。