空间量子传感：利用轨道平台与地球自旋源探索超轻奇异玻色子

本刊推荐：为破解暗物质本质和超越标准模型限制的难题，研究人员开展了基于空间平台的量子传感研究（SQUIRE计划）。该研究利用中国空间站的高速轨道运动和地球自身作为巨大极化自旋源（1042电子自旋），通过创新的双同位素（129Xe/131Xe）量子传感器、振动补偿和抗辐射技术，实现了对自旋-自旋-速度相互作用（SSVI）信号的高灵敏度探测。实验表明该方案将探测灵敏度提升6-7个量级，为暗物质和新物理研究开辟了新范式。

　　

在当代物理学前沿，暗物质的本质和标准模型（Standard Model）的局限性一直是科学家们致力攻克的核心难题。在众多理论候选者中，超轻奇异玻色子——例如轴子（axion）和暗光子（dark photon）——被认为是最有希望的暗物质组成粒子之一。探测这些粒子的方法主要分为两类：一是直接搜寻它们在宇宙中可能形成的暗物质晕，二是研究它们如何在标准模型费米子之间引发奇异的相互作用。后者通过广谱覆盖规避了质量扫描的需求，同时避免了对模型依赖的暗物质丰度的假设，从而显示出独特优势。

然而，探测这些由新玻色子介导的相互作用面临巨大技术挑战：它们要求的实验灵敏度远超当前地面实验的能力极限。地面实验存在一个难以调和的矛盾——增强奇异相互作用信号需要增加源材料的极化自旋数量或非极化粒子数，同时还需提高源相对于量子自旋传感器的相对速度。但这两方面要求往往相互制约。例如，实验室中使用的自旋源即便拥有10²⁵个极化电子（当前 benchmark 水平），其运动速度也只能达到约20 m/s。这一瓶颈导致理论参数空间中的广大区域仍未被探索。

为了突破这一局限，研究人员提出了“空间量子传感与奇异玻色子研究探索（SQUIRE）”计划。该计划旨在将量子自旋传感器部署于空间平台（如中国空间站），通过测量由地球地质电子与传感器自旋之间的奇异相互作用所产生的赝磁场，来间接探测新物理信号。这一方案巧妙结合了量子 metrology（量子计量学）与空间技术，为基础物理前沿研究开辟了新途径。

SQUIRE 方案的核心优势在于它能够同时大幅提升两个关键参数——相对速度和极化自旋数，从而最大化自旋-自旋-速度相互作用（SSVI）的探测灵敏度。中国空间站运行于近地轨道，其相对于地球的运动速度高达7.67 km/s，接近第一宇宙速度，比地面实验中的运动源快了近400倍。与此同时，地球本身作为一个巨大的天然极化自旋源，在地磁场的作用下，地幔和地壳中未配对的 geo-electrons（地质电子）可产生高达10⁴²的极化电子自旋，这一数字远超实验室常用的 SmCo₅ 自旋源（超出约10¹⁷倍）。此外，该方案还通过空间平台的轨道运动将奇异信号调制为周期性振荡。以中国空间站为例（轨道周期约1.5小时），信号被调制到约0.189 mHz的频段，该频段本底噪声极低，非常有利于信号提取。

这些特性凸显了空间实验的独特优势：它不仅显著放大了信号强度，还将信号调制到更易探测的形式。针对最强耦合情况，仿真预测显示SSVI所产生的奇异场振幅最高可达20 pT，远高于地面实验的探测限（0.015 pT），且完全处于现有自旋传感器的探测能力范围内。在保守估计下（空间自旋传感器灵敏度为150 fT/Hz^1/2，探测时长100天），SQUIRE 方案对所有SSVI（包括 V₆₊₇、V₈、V₁₄、V₁₅ 和 V₁₆）的探测灵敏度提升了6–7个量级（作用范围>10⁸米）。这一提升在地面实验中是物理上不可实现的——要达到同等灵敏度，需要自旋源以超光速运动。

实现 SQUIRE 方案的关键是开发能够耐受复杂空间环境、同时保持高灵敏度和长期稳定性的量子传感器。空间自旋传感器主要面临三类干扰源：地磁场时空波动（约20 μT）、平台振动（约0.005°/s）以及宇宙辐射（每日约30次干扰）。为解决这些挑战，SQUIRE 中设计的原型空间传感器集成了三项突破性技术：（i）双惰性气体自旋传感器。利用¹²⁹Xe 和¹³¹Xe 具有相反 gyromagnetic ratios（旋磁比）的特性，该传感器在抑制共模磁场噪声的同时保持对SSVI信号的灵敏度。该技术实现了10⁴倍的磁噪声抑制，结合多层磁屏蔽的10⁸倍抑制，可将地磁波动压制至<0.02 fT。（ii）振动补偿技术。传感器配备灵敏度为2×10^–6°/s的光纤陀螺仪，将振动噪声抑制至可忽略的0.65 fT。（iii）抗辐射架构。采用0.5 cm铝壳屏蔽和三模冗余控制电路，将宇宙射线干扰降至每日不足1次。综合这三项技术，SQUIRE 原型传感器实现了4.3 fT@1165 s的单次探测灵敏度（相当于150 fT/Hz^1/2）。

除了奇异相互作用搜索，安装于中国空间站的量子自旋传感器还可支持多种基础物理研究。SQUIRE 设想构建一个“空-地一体化”量子传感器网络，通过联用空间与地面传感器显著提升对多种暗物质模型的探测灵敏度——包括其他奇异相互作用、轴子晕（axion halo）和CPT破坏检验等。具体而言，高速轨道运动可增强轴子晕与核子自旋之间的耦合，使直接暗物质搜索的灵敏度相比地面实验提高10倍。随着深空探测计划的推进，SQUIRE 方案还有望激发利用遥远行星（如木星和土星，这些星体富含极化粒子）资源探索物理学新前沿的兴趣。

该研究由 Yuanhong Wang、Xingming Huang、Min Jiang、Qing Lin、Wenqiang Zheng、Yuan Sun、Liang Liu、Xinhua Peng、Zhengguo Zhao 和 Jiangfeng Du 共同完成，论文发表于《National Science Review》。作者团队来自中国科学技术大学（自旋磁共振实验室、合肥国家实验室、粒子探测与电子学国家重点实验室、深空探测实验室）、浙江工业大学（量子精密测量浙江省重点实验室）以及中国科学院上海光学精密机械研究所（量子光学重点实验室）。通讯作者为 [e-mail] 和 [e-mail]。

主要技术方法包括：采用双同位素（¹²⁹Xe/¹³¹Xe）自旋传感器实现共模噪声抑制；利用光纤陀螺仪进行振动补偿；通过铝屏蔽和冗余电路设计抗辐射架构。传感器灵敏度达到150 fT/Hz^1/2，探测时长为100天，信号调制基于中国空间站轨道运动（周期1.5小时）。

The Space Advantage

通过结合高速运动平台（中国空间站，7.67 km/s）和地球作为巨量极化自旋源（10⁴²电子自旋），SQUIRE 方案突破了地面实验在速度与自旋数之间的权衡瓶颈，将SSVI信号振幅提升至20 pT，灵敏度提高6–7个量级。

A Prototype Space Quantum Sensor

研发的原型传感器集成三项关键技术：双同位素噪声抑制、振动补偿和抗辐射设计，实现地磁波动抑制至<0.02 fT，振动噪声降至0.65 fT，辐射干扰<1次/日，单次灵敏度达4.3 fT@1165 s。

Broader Implications

该方案可扩展为空-地传感器网络，用于探测轴子晕、CPT破坏等新物理现象，深空探测中还可利用木星/土星等行星的极化粒子资源，推动物理学前沿研究。

研究结论表明，SQUIRE 方案首次实现了在空间环境中对奇异相互作用的超高灵敏度探测，解决了地面实验无法兼顾高自旋数和高相对速度的核心难题。该研究为暗物质探测和新物理研究提供了全新范式，标志着量子传感技术与空间科学融合的重大突破。