全球首個(gè)核自旋量子傳感網(wǎng)絡(luò)
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室彭新華教授、江敏教授及其合作者，系統(tǒng)發(fā)展了核自旋量子精密測量技術(shù)并實(shí)現(xiàn)原理性突破，構(gòu)建了全球首個(gè)基于核自旋的城際量子傳感網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)驗(yàn)上突破了對(duì)拓?fù)淙毕葺S子暗物質(zhì)約束的天體物理觀測極限。相關(guān)研究成果以“Constraints on axion dark matter by distributed intercity quantum sensors”為題于2026年1月28日在線發(fā)表在《自然（Nature）》期刊上。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)彭新華、江敏團(tuán)隊(duì)合影
“宇宙由何組成？”是Science列出的125個(gè)科學(xué)問題之一。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)則占據(jù)約26.8%的比例。然而，暗物質(zhì)的微觀本質(zhì)仍然是現(xiàn)代物理學(xué)的一大謎團(tuán)。軸子是當(dāng)前理論動(dòng)機(jī)最強(qiáng)的暗物質(zhì)候選粒子之一，其構(gòu)成的場在宇宙早期相變中可能產(chǎn)生拓?fù)淙毕荩╰opological defect）——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(dāng)這種結(jié)構(gòu)穿越地球時(shí)，會(huì)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(hào)。然而，由于信號(hào)極其微弱且持續(xù)時(shí)間短，這對(duì)探測技術(shù)提出了極高要求。
研究團(tuán)隊(duì)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（12?Xe）核自旋對(duì)瞬時(shí)信號(hào)的響應(yīng)探測難題，將微秒級(jí)別的暗物質(zhì)拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)信號(hào)“存儲(chǔ)”到接近分鐘級(jí)別的核自旋相干態(tài)中，同時(shí)結(jié)合自主提出的核自旋量子放大技術(shù)，將微弱信號(hào)放大了至少100倍，自旋旋轉(zhuǎn)探測靈敏度達(dá)到約1微弧度，相比之前實(shí)驗(yàn)室探測技術(shù)，其靈敏度提高約4個(gè)量級(jí)。
圖A：宇宙構(gòu)成成分圖；圖B：基于城際量子傳感網(wǎng)絡(luò)的暗物質(zhì)搜尋。拓?fù)淙毕葺S子暗物質(zhì)在宇宙中會(huì)形成能量高度集中的致密結(jié)構(gòu)，猶如一堵“暗物質(zhì)墻”。當(dāng)?shù)厍蛟阢y河系中以約10?3光速運(yùn)動(dòng)并穿越這類結(jié)構(gòu)時(shí)，部署的城際量子傳感器網(wǎng)絡(luò)便能對(duì)其進(jìn)行探測。
為進(jìn)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(tuán)隊(duì)建成了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-杭州的五臺(tái)自主研發(fā)的核自旋量子傳感器組成，利用衛(wèi)星同步實(shí)現(xiàn)跨度為320公里的分布式量子傳感，構(gòu)成了一個(gè)超靈敏的暗物質(zhì)信號(hào)鑒別系統(tǒng)。長基線使得真實(shí)暗物質(zhì)事件在不同節(jié)點(diǎn)間會(huì)產(chǎn)生可分辨的信號(hào)延遲與相位差，結(jié)合多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的三維擬合，能有效抑制局部干擾，成功將誤報(bào)率降低約三個(gè)數(shù)量級(jí)。相較于國際上已有的基于堿金屬傳感器的GNOME探測計(jì)劃，該新型核自旋探測網(wǎng)絡(luò)的能量分辨率提升了約4個(gè)量級(jí)，為拓?fù)淙毕莅滴镔|(zhì)提供了更強(qiáng)大的探測工具。
概念圖：基于城際量子傳感網(wǎng)絡(luò)的暗物質(zhì)搜尋示意圖
通過連續(xù)2個(gè)月的觀測與量子傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，研究團(tuán)隊(duì)未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)顯著的拓?fù)淙毕荽┰绞录；诖恕盁o信號(hào)”結(jié)果，團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)室限制。尤其在84 peV附近，耦合尺度上限達(dá)4.1×101?GeV，比超新星SN1987A的天體物理限制高出40倍，在該質(zhì)量區(qū)間實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室探測對(duì)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。
此項(xiàng)研究不僅為拓?fù)淙毕莅滴镔|(zhì)探測提供全新途徑，其發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)化探測架構(gòu)與信號(hào)處理方法，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(tái)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，開啟探索暗物質(zhì)與宇宙極端事件關(guān)聯(lián)的新窗口。團(tuán)隊(duì)計(jì)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10?倍，邁向更深遠(yuǎn)的物理前沿。
審稿人對(duì)此項(xiàng)工作給予了高度評(píng)價(jià)：“這項(xiàng)工作為探索粒子物理和天體物理領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題提供了一個(gè)及時(shí)而強(qiáng)大的工具，將在相關(guān)領(lǐng)域激發(fā)新的研究浪潮。”
本研究是該研究團(tuán)隊(duì)在量子精密測量與暗物質(zhì)探測的交叉科學(xué)前沿取得的最新突破。團(tuán)隊(duì)長期系統(tǒng)開展了基于原子核自旋體系探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理研究，先后提出和實(shí)現(xiàn)了多種原創(chuàng)性方法，如發(fā)展了核自旋放大與法諾共振噪聲抑制等量子精密測量等方法，并將其應(yīng)用于超輕暗物質(zhì)與新奇相互作用的搜索。本項(xiàng)研究在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了從單站式測量到多站點(diǎn)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)性地開展了對(duì)瞬態(tài)暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)搜尋。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室博士后王元泓為論文第一作者，江敏和彭新華為共同通訊作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部、中國科學(xué)院、深空探測實(shí)驗(yàn)室等多個(gè)項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-10034-w
《量子傳感器技術(shù)及市場-2026版》
《量子技術(shù)應(yīng)用的材料-2026版》
