近日，中國科學技術(shù)大學等系統(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，首次在實驗上突破了對拓撲缺陷軸子暗物質(zhì)約束的天體物理觀測極限。

　　當前研究表明，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)生拓撲缺陷——這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。

　　科研團隊創(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探測難題，將微秒級別的暗物質(zhì)拓撲缺陷結(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。

　　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。該網(wǎng)絡由分布于合肥—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（GNOME），該新型核自旋探測網(wǎng)絡的能量分辨率提升了約4個量級，為拓撲缺陷暗物質(zhì)提供了更強大的探測工具。

　　通過連續(xù)2個月的觀測與量子傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，團隊未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計顯著的拓撲缺陷穿越事件。基于此“無信號”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。

　　這一研究是團隊在量子精密測量與基礎物理研究的交叉科學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，系統(tǒng)性地開展了瞬態(tài)暗物質(zhì)的實驗搜尋，不僅為拓撲缺陷暗物質(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準模型的瞬態(tài)新現(xiàn)象開辟了新方向。

　　此類傳感器網(wǎng)絡可與引力波天文臺等設施協(xié)同，構(gòu)成多信使觀測網(wǎng)絡，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。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》（Nature）上。

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