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導讀
精密重力測量技術在資源勘探、自主導航、地質結構與地震研究等諸多領域具有十分重要的意義（圖1），基于原子幹涉的量子重力測量技術具有高精度、低漂移、無機械磨損等特點，已經逐漸成熟并在許多方面展現出相對于經典儀器的優越性。中科院精密測量院原子幹涉儀團隊對原子幹涉重力測量技術的發展曆程以及最新的進展進行了簡要回顧和介紹，同時，對目前仍面臨的問題和可能的解決方案進行了梳理和分析。
圖1 高精度的原子重力梯度儀可以用來探測洞穴、隧道、礦藏等地下特征，圖中為不同特征所産生的重力梯度異常的典型信号大小
重力測量儀器包括直接測量重力加速度的重力儀和測量重力位二階微分的重力梯度儀，二者分别敏感于長波重力場（遠距離物體産生的空間緩變重力場）和短波重力場（近距離物體産生的空間快變重力場）。從功能上講，二者又各自可分為測量絕對重力值的絕對重力儀和測量重力變化量的相對重力儀，以及測量絕對重力梯度值的絕對重力梯度儀和測量其變化量的相對重力梯度儀。絕對儀器具有更高的長期穩定性，可校準相對儀器的長期漂移，而相對儀器一般來說具有更好的可靠性，可滿足航空、航海等惡劣條件下的使用需求。長期以來，人們一直期待能夠滿足惡劣條件下測量需求的絕對重力測量儀器，而原子幹涉重力測量技術的出現使得這種期待成為了可能。
原子幹涉儀利用雷射操作原子的物質波進行空間上的分束、反射與合束，并在此過程中将雷射的相位寫入原子的物質波相位中。由于原子具有靜止品質，其軌迹在重力場中會發生偏轉，進而拾取不同的雷射相位，是以，我們可以通過測量原子幹涉信号的相位來實作對重力的精密測量（圖2）。由于作為測量媒體的原子具有極其穩定的能級結構，是以原子幹涉儀具有和原子鐘同源的内秉精密性與穩定性，同時又具有無機械磨損、可長期連續工作等優勢。
圖2 基于原子幹涉儀實作的原子重力儀（左圖）和原子重力梯度儀（右圖），原子重力梯度儀由空間上相隔特定距離的兩個或多個原子重力儀組成
經過30年的發展，原子重力儀目前已經具備很高的技術成熟度。在2017年絕對重力儀國際比對中，6台來自中國的原子絕對重力儀參加了比測，其中有4台重力儀的比測結果達到了與國際上最先進的經典重力儀相當的水準并被組委會采納。法國宇航局的GIRAFE型原子重力儀分别實作了海上和航空重力測量，測量精度超過了同行比測的經典相對重力儀。目前市場上的絕對重力儀産品主要是美國Microg公司的落體式絕對重力儀，原子重力儀作為新一代的量子重力傳感器也已經實作了商品化， Muquans和中科酷原等國内外公司都推出了各自的原子絕對重力儀産品。
圖3 FG5-X型經典絕對重力儀和WAG-C5型原子絕對重力儀
原子重力梯度儀在設計之初，目标在于作為一種科研儀器實作對萬有引力常數G的高精度測量，是以在實用化方向發力稍晚。但2022年年初發表的幾項工作标志着原子重力梯度儀在可靠性、分辨率、準确度和內建度等方面同樣達到了很高的水準。英國伯明翰大學基于沙漏光學構型設計實作了一台高可靠性的原子重力梯度儀，并在一條隧道上方以3倍信噪比實地觀測到170 E（1E ≈ 10-10g/m）的重力梯度信号。法國iXblue公司研制出了國際上首台亞E水準的可搬運原子重力梯度儀，測量分辨率達到0.15 E水準。中科院精密測量院報道了一台高內建度亞E水準原子絕對重力梯度儀，探頭體積達到前所未有的92 L的水準，并完成了迄今最為細緻的系統誤差評估工作。但在動态測量方面，原子重力梯度儀仍面臨着标度因子不足、相位提取效率偏低等問題，這有待于大動量轉移、剪切幹涉成像等創新技術的應用來解決。
總結與展望
原子幹涉重力儀和重力梯度儀具有高精度、低漂移、無機械磨損等優勢，是極具應用潛力的新一代精密重力測量儀器。目前，原子重力儀已經具備很高的成熟度并已在靜态和動态場景下全面展現出與經典儀器相當甚至超越的性能。原子重力梯度儀近年來在可靠性、分辨率、準确度和內建度等方面也取得了一系列重要進展并達到了很高的水準，但在動态測量場景下仍存在一些問題，這些問題有望基于現有的創新技術得到解決。