近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等系統(tǒng)實現(xiàn)了核自旋量子精密測量技術(shù)的原理性突破，并構(gòu)建了國際首個基于核自旋的城際量子傳感網(wǎng)絡(luò)，首次在實驗上突破了對拓?fù)淙毕葺S子暗物質(zhì)約束的天體物理觀測極限。

01

探測極微弱信號

當(dāng)前研究表明，在宇宙的物質(zhì)構(gòu)成中，普通可見物質(zhì)僅占約4.9%，而暗物質(zhì)則占約26.8%。然而，暗物質(zhì)的微觀本質(zhì)仍是現(xiàn)代物理學(xué)的謎團。破解這一謎團的關(guān)鍵在于尋找暗物質(zhì)候選粒子，其中軸子成為當(dāng)前理論動機最強的候選者之一。

軸子構(gòu)成的場在宇宙早期相變中可能產(chǎn)生拓?fù)淙毕荨@是一種類似宇宙弦或疇壁的、具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的宏觀“褶皺”。當(dāng)這種結(jié)構(gòu)穿越地球時，會與地面上部署探測器中的原子核自旋發(fā)生相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)信號。但是，由于信號極其微弱且持續(xù)時間短，對探測技術(shù)提出了極高要求。

中國科大團隊創(chuàng)新性地發(fā)展了核自旋量子精密測量技術(shù)，原理性突破了惰性氣體原子（129Xe）核自旋對瞬時信號的響應(yīng)探測難題，將微秒級別的暗物質(zhì)拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)信號“存儲”到接近分鐘級別的核自旋相干態(tài)中。

同時團隊結(jié)合自主提出的核自旋量子放大技術(shù)，將微弱信號放大了至少100倍，使得自旋旋轉(zhuǎn)探測靈敏度達到約1微弧度，較之前實驗室探測技術(shù)實現(xiàn)了約4個量級的靈敏度提升。

02

量子傳感網(wǎng)絡(luò)

為進一步提升探測靈敏度、抑制局部噪聲并排除單站式探測盲區(qū)，團隊建成了國際首個基于核自旋的城際量子傳感網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)由分布于合肥—杭州的5臺自主研發(fā)的核自旋量子傳感器組成，利用衛(wèi)星同步實現(xiàn)跨度為320公里的分布式量子傳感，構(gòu)成了超靈敏的暗物質(zhì)信號鑒別系統(tǒng)。

長基線使得真實暗物質(zhì)事件在不同節(jié)點間產(chǎn)生可分辨的信號延遲與相位差，結(jié)合多節(jié)點數(shù)據(jù)的三維擬合，能有效抑制局部干擾，成功將誤報率降低約三個數(shù)量級。相較于國際上已有的基于堿金屬傳感器的全球核子磁力計網(wǎng)絡(luò)（GNOME），該新型核自旋探測網(wǎng)絡(luò)的能量分辨率提升了約4個量級，為拓?fù)淙毕莅滴镔|(zhì)提供了更強大的探測工具。

▲A：宇宙構(gòu)成成分圖；B：基于城際量子傳感網(wǎng)絡(luò)的暗物質(zhì)搜尋。該網(wǎng)絡(luò)由位于合肥中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的4臺量子傳感器與位于杭州浙江工業(yè)大學(xué)的一臺量子傳感器組成。

通過連續(xù)2個月的觀測與量子傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，團隊未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計顯著的拓?fù)淙毕荽┰绞录??；诖恕盁o信號”結(jié)果，團隊在軸子質(zhì)量10 peV至0.2 μeV的寬廣范圍內(nèi)，給出了迄今最嚴(yán)格的軸子—中子耦合實驗室限制。尤其在84 peV附近，耦合尺度上限達4.1×1010 GeV，比超新星SN1987A的天體物理限制高出40倍，首次在該質(zhì)量區(qū)間實現(xiàn)了實驗室探測對天文觀測的超越，為探索天文觀測以外的物理參數(shù)空間提供了手段。

03

開啟探索暗物質(zhì)新窗口

這一研究是團隊在量子精密測量與基礎(chǔ)物理研究的交叉科學(xué)前沿取得的最新突破，實現(xiàn)了從單站式測量到多站點協(xié)同探測的跨越，通過構(gòu)建分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)性地開展了瞬態(tài)暗物質(zhì)的實驗搜尋，不僅為拓?fù)淙毕莅滴镔|(zhì)探測提供全新途徑，也為搜尋軸子星、軸子弦等更多超越標(biāo)準(zhǔn)模型的瞬態(tài)新現(xiàn)象開辟了新方向。

此類傳感器網(wǎng)絡(luò)可與引力波天文臺等設(shè)施協(xié)同，構(gòu)成多信使觀測網(wǎng)絡(luò)，捕捉雙黑洞并合等極端天體事件可能釋放的軸子輻射，開啟了探索暗物質(zhì)與宇宙極端事件關(guān)聯(lián)的新窗口。

團隊計劃通過全球組網(wǎng)、空間部署及發(fā)展新一代的惰性氣體核自旋量子傳感技術(shù)，將探測靈敏度再提升104倍，邁向更深遠的物理前沿。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-10034-w

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

責(zé)任編輯：侯茜