近日，NASA宣布开发全球首台太空量子重力传感器Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder (以下简称QGGPf)，用于测量地球重力。该任务由NASA地球科学部下属地球科学技术办公室资助，目前正由NASA喷气推进实验室（以下简称JPL）、Goddard太空飞行中心及美国工业界联合实施，预计将于2030年完成交付，并实现与航天器的集成。QGGPf体积约0.25立方米，重125公斤，比传统天基重力仪器更轻巧，约为一个手提箱的大小。
“我们甚至能用原子测量喜马拉雅山脉的质量”
为什么要开发量子重力传感器？“我们能用原子测量喜马拉雅山脉的质量”。NASA喷气推进实验室地球科学首席技术专家、量子太空创新中心主任Jason Hyon这句话给出了答案。
地球重力场是动态变化的——随着地质变迁对地表物质的重新分配，重力分布也随之改变。物质越密集，重力作用越强。日常生活中，人们难以察觉这些细微的重力变化，但借助高灵敏度量子探测仪器，科学家能绘制地球重力场的微妙差异，并将其与含水层、矿藏等地下特征关联。这类重力地图对导航、资源管理和国家安全至关重要。
这是一张显示美洲大陆的地球重力分布图。红色代表重力较强区域，蓝色代表较弱区域。中美洲南部至南美洲西海岸呈红色，大西洋以蓝色为主，太平洋则呈现黄至青绿色调。
未来，科学级量子重力传感器将能以更高的精度绘制此类地图。它有望应用于近地轨道卫星观测，成为单一航天器获取地球质量变化数据的可行测量工具，其分辨率可媲美甚至超越GRACE-FO[1]卫星现有测绘成果[2]。Jason Hyon在近期发表于《EPJ Quantum Technology》的论文中阐述了天基量子重力传感器（QGGPf）的核心原理。
▲2025年3月，量子太空创新中心主任Jason Hyon等发表论文《面向未来质量变化科学的量子重力梯度测量学》。
量子重力传感器通过比较两个近距离自由落体的加速度差异来定位重力异常。在重力更强处，物体下落更快。
QGGPf将使用两团超冷铷原子云作为测试质量体。这些原子被冷却至接近绝对零度，其粒子会表现出波动特性。通过测量这两团物质波的加速度差，将可以探测重力异常。
JPL实验物理学家Sheng-wey Chiow解释：“超冷原子云能确保天基重力测量长期保持精确。原子可保证每次测量结果一致，且受环境干扰更小。”
“尚未有人尝试在太空运行此仪器”
2022年，来自英国量子技术传感器与计时中心和伯明翰大学的研究团队利用量子重力仪器，通过探测与管道相关的微重力变化，发现了一个埋在地下的隧道，该隧道承载着公用管道，在路面下约一米的位置。这意味着世界首台量子重力仪走出实验室，为人类打开“地下世界地图”。
▲量子重力仪发现的地下隧道
▲量子技术如何解释地下世界的图示（上层为量子传感器未来可探测到的图像，中层为地面上的世界，下层为由量子传感器揭示的“地下世界”）。
而未来要实现量子重力传感器在太空的落地应用，还需同步推进多项技术成熟化工作。此量子重力传感器计划于2030年开展技术验证。“尚未有人尝试在太空运行此类仪器，”JPL博士后研究员Ben Stray表示，“我们必须通过实际飞行来验证其性能，这不仅会推动量子重力传感器发展，还将促进整体量子技术进步。”
NASA与多家企业在该项目中开展合作：JPL团队与美国本土传感技术代表性企业AOSense、美国量子计算企业Infleqtion共同研发传感技术，Goddard太空飞行中心则与量子传感器公司Vector Atomic合作开发激光光学系统。
这项任务还将为石油储量、全球淡水供应等领域的突破性观测铺平道路。此外，Hyon提到：“QGGPf仪器将推动行星科学和基础物理学研究。这项探路任务取得的创新，不仅将提升地球研究能力，更有望揭开关于遥远行星和宇宙的更多奥秘。”
[1] Grace-FO卫星全称The Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On，是是美国国家航空航天局（NASA）与德国地球科学研究中心（GFZ）的合作项目，旨在促进地球气候研究。
[2] Stray, B., Bosch-Lluis, X., Thompson, R. et al. Quantum gravity gradiometry for future mass change science. EPJ Quantum Technol. 12, 35 (2025).
