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科研人员构建城际量子传感网络
2026年01月30日 09:15:05
来源：化工仪器网 作者：杨 点击量：5976
近日，中国科学技术大学等系统实现了核自旋量子精密测量技术的原理性突破，并构建了国际首个基于核自旋的城际量子传感网络，首次在实验上突破了对拓扑缺陷轴子暗物质约束的天体物理观测极限。
在宇宙的深邃幕布上，可见的星辰与星系仅占其质量的极小部分。一种看不见、摸不着的神秘物质——暗物质——如同幽灵般弥漫于宇宙各处，其存在虽被引力现象所暗示，却始终未曾被直接探测到。数十年来，全球科学家为此倾尽智慧，建造了从地下深处到太空轨道的各式探测器，而暗物质依然深藏不露。如今，一项来自中国科学技术大学等机构的研究，为这场漫长追寻带来了一束崭新的光。
近日，中国科学技术大学等系统实现了核自旋量子精密测量技术的原理性突破，并构建了国际首个基于核自旋的城际量子传感网络，首次在实验上突破了对拓扑缺陷轴子暗物质约束的天体物理观测极限。
面对暗物质这种几乎不与常规物质发生作用的“宇宙幽灵”，传统探测方法如同在暴风雨中试图聆听一根针落地的声音，挑战极大。量子精密测量技术的出现，为科学家提供了前所未有的灵敏“耳朵”。这项技术的核心在于利用量子系统(如原子、光子或本次研究中的核自旋)对外界环境极微弱变化的超常敏感性。核自旋，可以通俗地理解为原子核本身具备的、类似微小磁针的内在属性，它对磁场等外界扰动极为敏感。通过将大量原子的核自旋制备并维持在一种高度协同的“量子相干态”，就能形成一个极其精密的量子传感器，其探测精度在原理上可以超越任何经典设备。
然而，单个传感器的能力终究有限。为了将探测的“网”织得更大、更灵敏，研究团队完成了一次从“点”到“网”的飞跃。他们构建了国际首个基于核自旋的城际量子传感网络。这一网络并非简单地将多个传感器物理连接，而是通过量子技术，将分散在不同城市的传感节点构成一个协同测量的整体。可以想象，这就像在广阔地域上布置了一张由无数超灵敏“触角”编织而成的量子“蛛网”，任何一丝轻微扰动触及这张网的任何部分，都可能被捕获并定位。这一分布式网络架构，不仅大幅扩展了探测的物理尺度，更能有效区分真实的暗物质信号与本地环境噪声，将探测的可靠性提升到了新的高度。
正是凭借这张覆盖城际的量子“蛛网”，研究团队实现了本次突破的核心成果：在国际上首次于实验室条件下，突破了对一类特定暗物质候选者——拓扑缺陷轴子暗物质的观测极限。轴子是一种理论上预言存在的超轻粒子，而它们可能聚集形成的时空拓扑缺陷(如“宇宙弦”)，在穿过地球时会产生极其微弱的磁场信号。此前，对这一信号的观测极限主要由天体物理的间接观测所设定。本次研究利用城际量子传感网络，实现了较那些天文观测高出数个数量级的测量灵敏度，首次在实验上证明了人类有能力在地面实验室中，以量子技术触及此前仅属于天体物理范畴的暗物质参数空间。
相关研究成果Constraints on axion dark matter by distributed intercity quantum sensors发表在《自然》(Nature)上。
参考来源： 中国科学技术大学
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