2030！首个量子重力传感器将出征太空！

在人类探索行星动力学的宏大叙事中，引力场始终被视为理解地球内部运作机制的“终极密码”。

从深层地下水的运移、极地冰盖的消融趋势，到潜藏地壳深处的战略矿产资源，地球表面及内部质量的每一丝细微位移，都会在引力场中留下独特的物理指纹。然而，长期以来，人类测量这种微弱信号的手段正逐渐触及经典物理的瓶颈。传统卫星如GRACE（重力恢复与气候实验）和GOCE（重力场和稳态海洋环流探测器）虽然为我们绘制了宝贵的引力蓝图，但受限于机械加速度计的固有漂移和有限的探测精度，我们仍无法在精细的时间和空间尺度上实时“透视”地球的动态。

图：地球重力分布图。红色区域表示重力较强的区域，蓝色区域表示重力较弱的区域。未来，科学级量子重力梯度仪有望以前所未有的精度绘制出此类地图。

来源：美国国家航空航天局

2030年，这一局面将迎来颠覆性的突破。美国国家航空航天局（NASA）下属的喷气推进实验室（JPL）与量子技术领军企业Infleqtion公司宣布，将正式启动量子引力梯度测量探路者（QGGPf）任务。这项耗资超过2000万美元的工程，旨在将世界上第一个功能完备的量子重力传感器送入低地球轨道（LEO），利用物质波干涉的奇诡特性，捕捉那些以往被经典噪声掩盖的引力涨落。这不仅是一次技术验证，更是地球物理观测从“经典时代”向“量子时代”的历史性跨越，标志着人类对行星质量分布的认知精度将实现量级提升。

QGGPF任务全景

QGGPf任务的核心使命是在微重力环境下验证量子传感器的长期稳定性和前所未有的探测灵敏度。该任务并非孤立的科学尝试，而是NASA地球科学技术办公室（ESTO）长期战略的一部分，旨在为未来的科学级重力监测任务降低技术风险。

该项目获得了超过2000万美元的合同资金支持，还集结了NASA戈达德太空飞行中心（GSFC）、德克萨斯大学奥斯汀分校以及Vector Atomic、Monarch Quantum等顶尖工业伙伴。其核心逻辑是利用在微重力环境下表现出的量子波粒二象性，实现对重力场的超精密探测。

QGGPf计划于2030年前后发射，部署在低地球轨道上。该任务的核心是利用量子传感器监测地球表面及内部的质量动态，包括地下含水层的变化、冰盖和冰川的消融轨迹、海平面的微观波动以及构造板块的活动压力。

在传统的重力探测任务中，如著名的GRACE（重力恢复与气候实验）及其后续任务GRACE-FO，科学家需要通过两颗卫星之间微米级的距离变化来反演重力场。虽然这种方法极大地改变了我们对气候变化的理解，但其对卫星编队的依赖增加了系统复杂性和运营成本。QGGPf则提出了一个更具雄心的方案：在单颗卫星内利用超冷原子云作为“量子探测质量”，通过测量原子在重力场中下落时的相位变化，直接读取重力梯度。

QGGPf被定义为“路径探索者”（Pathfinder），这意味着它的首要任务是验证硬件在严酷空间环境下的可靠性。这包括激光冷却系统的鲁棒性、超高真空环境的维持以及磁屏蔽效能。这一任务的成功将为未来部署“科学级”的量子重力仪铺平道路，从而实现对全球淡水储备和能源矿产的实时监控。

从 GRACE到量子重力仪的演进

在QGGPf出现之前，人类对全球引力场的认识主要依赖于一系列经典重力任务。回顾这段演进史，有助于更深刻地理解量子技术的颠覆性。

自2002年发射以来，GRACE及随后的GRACE-FO任务通过测量两颗相距约200公里的卫星之间的微小距离变化，成功监测了地球冰盖的消融和全球淡水储备的变化。 然而，这些任务也暴露了经典传感技术的几大局限：

低空间分辨率：GRACE的数据分辨率通常在300到400公里量级，这使其在处理县级甚至省级规模的水资源管理时显得过于粗糙。

时间延迟与伪影：由于观测频率限制，GRACE生成月度重力图时存在“条带噪声”（N-S stripes），需要复杂的数学算法进行脱模，这不可避免地损失了一些真实的地球物理信号。

对加速度计的极度依赖：GRACE-FO的核心误差来源之一就是静电加速度计的性能退化，这迫使地面科学家不得不使用复杂的模型来补偿仪器漂移。

QGGPf的出现，预示着一种全新的观测范式，将利用冷原子干涉技术，将原子视为“波”的精密测量方法，利用量子力学的叠加原理来衡量极其微小的加速度变化。

科学家们预测，通过将QGGPf验证的量子技术与GRACE任务的激光测距技术相结合，未来的“混合型”重力任务将能够实现全频率覆盖的引力探测，从而开启“高清晰度地球监测”的新时代。

NASA JPL与Infleqtion的战略协作

NASA JPL与Infleqtion的合作是典型的“科学驱动+工程实现”闭环。JPL作为任务的主导机构，负责系统集成和总体架构；而Infleqtion则提供了支撑任务的核心—原子物理封装传感器头。

（一）Infleqtion构建量子的“心脏”

作为由诺贝尔奖得主核心技术衍生的量子企业，Infleqtion在操纵中性原子方面拥有深厚的商业积淀。其首席科学家Dana Anderson曾指出，中性原子是“大自然完美的量子位和传感器”，因为每一个原子都是完全相同且不可改变的物理基准。

在QGGPf任务中，Infleqtion负责以下关键子系统的研发与集成：

原子物理封装：这是传感器的核心部件，包含了一个微型化的超高真空腔。在这个腔体中，铷原子被激光束捕获并冷却至接近绝对零度（纳开尔文级别）。

激光与光学子系统：利用激光对原子进行精确的脉冲操作。Infleqtion采用的集成光子技术，旨在将原本占据半个实验室桌面的激光器和分束组件缩小到可装载在小型卫星上的尺寸。

控制电子设备：负责管理极其复杂的激光频率锁定、磁场梯度发生以及数据获取流程。这些电子设备必须经过抗辐射加固，以应对低地轨道的严苛环境。

（二）JPL的航天化改造与系统集成

如果说Infleqtion提供的是尖端的物理工具，那么JPL的任务就是让这个工具在太空中“活下去”。JPL在QGGPf中的职责包括：

图：国际空间站上的冷原子实验室。

来源：美国国家航空航天局

总体任务管理：协调NASA各中心与工业界的关系，确保项目符合联邦预算和进度节点。

空间实验室遗产转化：JPL此前成功运行了国际空间站上的冷原子实验室。CAL在轨证明了在微重力下制造玻色-爱因斯坦凝聚的可行性，而QGGPf正是基于这一技术遗产的业务化升级。

重力模型开发：JPL的重力研究团队将利用QGGPf回传的梯度数据，开发新一代的质量输运模型，用于气候预测和地质灾害预警。

这种分工明确的合作模式，使得量子技术能够迅速跨越实验室，进入实际的业务应用领域。

美国的公私合作模式

QGGPf任务不仅是科学上的突破，更是美国空间管理模式的一次深刻展示。这种独特的公私合作（PPP）结构，旨在解决尖端技术从实验室原型到商业化部署之间长期存在的“死亡之谷”问题，也是美国试图通过政府合同培育出具备全球竞争力的量子工业生态的尝试。

（一）“临界点”机制

QGGPf任务是由NASA地球科学技术办公室（ESTO）支持，通过NASA的“临界点”计划进行资助的。所谓的“临界点”，是指某项技术已经完成了初步验证，但仍需最后一剂“强心针”才能成熟到足以推向市场。

在这种机制下，政府不再是唯一的买家，而是风险共担者。政府提供数千万美元的资助，但工业伙伴必须贡献至少10%到25%的项目资源（根据公司规模而定）。这种“自带干粮”的要求确保了企业不仅在赚政府的钱，更是在为自己的商业未来布局。与传统的政府采购合同不同，“临界点”项目采用基于里程碑的资助方式，鼓励企业在三至四年内完成从技术验证到飞行演示的跨越。

（二）空间法案协议（SAA）

QGGPf任务的底层法律框架是《空间法案协议》（SAA）。这种协议赋予了NASA极大的灵活性，使其能够超越繁琐的传统政府采购程序。

其核心优势在于知识产权的界定：

IP留存：在SAA框架下，像Infleqtion这样的企业通常可以保留其在项目期间开发的专利权和私有数据权利。

排他性使用：NASA在一定期限内（通常为3年）承诺对这些数据进行保护，不向公众披露，从而给予企业足够的先发优势去开发商业应用，如商业重力地图服务或资源勘探产品。

资源共享：NASA向企业开放JPL顶尖的实验室设施、真空测试环境和航天级校准设备，而无需企业支付高昂的租金。

（三）2026年量子法案

2026年1月，美国参议院正式推出了《国家量子计划重新授权法案》。该法案的一个显著特征是首次正式授权NASA全面参与国家量子研发体系，重点支持量子卫星通信和传感研究。QGGPf任务正是这一立法的关键受益者和标志性项目。

法案明确指示美国商务部和NASA通过公共私营伙伴关系（PPP），加速实用化量子应用的部署。这种模式的核心逻辑是：由政府承担早期的技术风险和重资产投入（如2000万美元的任务合同），而由初创企业完成技术迭代并保留商业化权利，从而在未来回馈民用市场（如GPS替代导航和资源勘探）。

（四）分布式创新 vs. 举国体制

通过QGGPf，我们可以清晰地看到中美两种模式的差异：

美国为分布式生态。依托由政府资助、大学研发、初创企业工程化的“分布式结构”。这种模式的优势在于灵活性高，能迅速捕捉量子技术与AI、商业航天的交叉机遇。Infleqtion与Churchill Capital Corp X合并上市（代码INFQ），并在2026年2月实现约18亿美元的估值，正是资本市场对这种模式投下的信任票。

中国是集中式攻关。通过政府实验室、军事关联企业和科研院所的紧密集成，以“暴力美学”般的规模化资金投入实现快速迭代。中国模式在量子通信等单一领域展现了极强的突破力，但在将科研成果转化为可自我造血的商业生态方面，仍处于摸索阶段。

全球的量子空间竞赛

量子重力传感已成为大国博弈的核心赛道之一。除了美国的QGGPf，欧洲和中国也都在这一领域投入了密集的资源。

（一）中国：CSSAI 的先发优势

中国在这一领域的步伐异常迅猛。2022年11月，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研发的“中国空间站原子干涉仪”（CSSAI）随天舟五号货运飞船送入天和核心舱。CSSAI已经实现了世界上首次在轨冷原子陀螺仪测量，其旋转分辨率达到17urad/s，加速度分辨率优于1.1×10-6m/s2。

中国团队利用剪切干涉技术有效解决了原子云弥散导致的去相位问题，为未来的弱等效原理检验铺平了道路。中国强调量子惯性导航与深空探测的结合，其高度集成的载荷设计展示了卓越的工程实现能力。

（二）欧洲：CARIOQA 路线图的严谨布局

欧洲联盟与欧洲空间局（ESA）则通过 CARIOQA（在轨冷原子铷干涉仪量子加速度计）项目展开反击。CARIOQA被视为欧洲实现气候法目标的关键技术手段，旨在建立完全自主的全球水资源监测主权。

CARIOQA计划分为PMP（探路者准备）、PHA（A 阶段研究）和PHB（B 阶段研究）三个阶段，旨在2030年前发射技术验证卫星。欧洲的研究重点在于如何将量子加速度计与现有的静电加速度计（EA）完美融合，利用EA处理高频动态信号，利用量子传感器校准低频漂移。

这种“三足鼎立”的态势表明，量子重力测量已不再仅仅是科学假说，而是决定未来十年信息优势和资源管控能力的关键技术底座。

结语

NASA与Infleqtion的QGGPf任务，是人类试图将量子力学的微观奥秘投射到行星宏观尺度的一次大胆尝试。它不仅继承了GRACE任务的气候研究遗产，更通过冷原子干涉技术，消除了经典传感器的漂移顽疾，为我们开启了一个“高清、实时、绝对”的引力透视窗口。

2030年，当QGGPf在轨道上释放出那一团被冷冻至极限的铷原子云时，它感知的不仅仅是地球的质量，更是人类跨入量子文明的微弱脉动。引力不再是遥不可及的背景，而是一本可以被精确翻阅的地球百科全书。

未来的地球，将在原子的精密波动中显现出它最深层的秘密。而QGGPf，正是开启这一量子未来的钥匙。

[1]https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-aims-to-fly-first-quantum-sensor-for-gravity-measurements/

[2]https://infleqtion.com/infleqtion-and-nasa-to-fly-the-worlds-first-quantum-gravity-sensor-to-space/

[3]https://esto.nasa.gov/files/quantum/Chiow.pdf

[4]https://www.nasa.gov/partnerships/current-space-act-agreements/

[5]http://www.apm.ac.cn/cmsm/202211/t20221118_6550965.html

[6]https://www.dlr.de/en/si/research-transfer/projects/carioqa

[7]https://carioqa-quantumpathfinder.eu/

[8]https://www.commerce.senate.gov/2026/1/cantwell-young-colleagues-introduce-bipartisan-national-quantum-initiative-reauthorization-act