图片说明：正在喷气推进实验室（JPL）准备发射并安装到国际空间站（ISS）冷原子实验室（CAL）中的升级硬件。背景的科学模块使CAL研究人员能够在地球轨道上进行原子干涉仪研究。来源：NASA/JPL-Caltech

未来太空任务：未来的太空任务可利用量子技术帮助我们理解宇宙的物理定律，探索其他行星及其卫星的组成，揭示未解的宇宙现象，或监测地球冰盖厚度及地下水储量。

冷原子实验室（CAL）的突破：NASA的冷原子实验室（Cold Atom Lab, CAL） 是国际空间站上的首个设施，已基于超冷原子的量子特性进行了多项开创性实验。实验工具是原子干涉仪（atom interferometer），它能精确测量重力、磁场及其他力。

原子干涉仪的应用：

地面应用：目前原子干涉仪在地面用于研究重力的基本性质，并开发用于飞机和船舶导航的技术。太空优势：在太空使用原子干涉仪可利用其更长的自由落体条件，实现前所未有的科学能力。

技术挑战与进展：此前，原子干涉仪被认为过于精密且脆弱，难以在无人工干预的情况下长期运行。但CAL团队已证明，远程操作的原子干涉仪在太空中是可行的。CAL科学团队已发表两篇论文，记录了这一里程碑式的实验。

第一项研究：双物种原子干涉仪

发表时间：2023年11月《自然》（Nature）成果：

首次在太空中实现了铷和钾量子气体的同时原子干涉测量。该双物种干涉仪不仅展示了在地球轨道上原子干涉仪的稳定性和可重复性，还为未来验证自由落体的普适性（广义相对论的核心原则）实验铺平道路。第二项研究：环境监测与波粒二象性

发表时间：2024年8月《自然通讯》（Nature Communications）成果：

使用CAL原子干涉仪测量了空间站的微小振动，并首次在太空中通过超冷原子远程检测激光频率，从而感知周围环境变化。实验还证明了物质的波动性在最长自由落体时间（超过十分之一秒）下依然存在。

项目科学家Jason Williams表示：“这些里程碑极具挑战性，我们的成功并非必然。团队的奉献精神和探索热情是关键。”

量子传感的潜在应用行星与卫星探测：高精度重力传感器可揭示太阳系天体的密度差异，从而推断其组成。GRACE-FO任务（美德合作）目前使用经典传感器监测地球水和冰的运动，而未来基于原子干涉仪的任务可提供更高精度。暗物质与暗能量研究：暗物质（占宇宙27%）和暗能量（占68%）是宇宙学两大谜题。量子传感器或能提供新线索。验证广义相对论：弗吉尼亚大学教授Cass Sackett指出：“原子干涉仪可测试广义相对论的新方式。这一理论解释了宇宙的大尺度结构，但仍有未解之处。量子技术或能填补这些空白。”冷原子实验室的技术细节规模与温度：CAL大小与迷你冰箱相当，2018年发射至空间站，目标是在微重力环境中推进量子科学。实验室将原子冷却至接近绝对零度（-459°F/-273°C），形成玻色-爱因斯坦凝聚态（所有原子共享同一量子身份）。量子特性：在超低温下，原子的微观量子特性（如波粒二象性）变得宏观，便于研究。例如，单个原子可同时沿两条路径传播，其波动重组可揭示重力等力的影响。

纽约大学罗切斯特分校教授Nick Bigelow表示：“基于太空的原子干涉仪将带来令人兴奋的新发现、改变日常生活的量子技术，并引领我们迈入量子未来。”

更多信息：

期刊信息：《自然通讯》（Nature Communications）、《自然》（Nature）附：关键术语与概念解释原子干涉仪（Atom Interferometer）：利用原子波的干涉效应测量外部场（如重力、磁场）的精密仪器。玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein Condensate）：在接近绝对零度时，玻色子原子集体进入同一量子态，形成宏观量子现象。自由落体普适性（Universality of Free Fall）：广义相对论预测：所有物体在引力场中自由下落的加速度相同，无论其组成。GRACE-FO任务：美国与德国合作的重力恢复与气候实验后续任务，通过卫星测量地球重力变化，监测水循环和冰盖动态。