太空量子感測器：揭開宇宙隱藏力量的革命性探索
在探索宇宙奧秘的漫長道路上，人類不斷追求更精密的工具來突破認知的界限。如今，一項名為SQUIRE（Space Quantum Sensors）的創新計畫，正準備以前所未有的方式揭示宇宙中潛藏的隱藏力量。這項計畫的核心概念是將超靈敏的量子自旋感測器送入太空軌道，利用太空環境的獨特優勢，探測地面實驗難以觸及的微弱信號。這不僅僅是一項技術突破，更是一場認知革命，將徹底改變我們對宇宙的理解。
SQUIRE: 太空量子感測的新物理學探索
SQUIRE計畫利用太空中的超靈敏量子自旋感測器來檢測奇異物理信號，與地面實驗相比，具有顯著的優勢。
SQUIRE 計畫的目標是尋找由奇異玻色子介導的相互作用。這些相互作用會導致原子能級產生微小的變化，而量子自旋感測器能夠將這些變化 detect 為偽磁場。透過將感測器放置在包括中國太空站在內的太空平台上，SQUIRE 計畫旨在 detect 感測器與地球地電子之間由奇異相互作用產生的偽磁場。簡單來說，SQUIRE 希望透過捕捉極其微弱的信號，來揭示我們目前物理模型無法解釋的粒子和力的存在。這是一個大膽的嘗試，但正如物理學家馬克斯·普朗克所說：「科學的每一次重大進展，都是從一次勇敢的想像開始的。」
低地球軌道提供高相對速度（7.67 公里/秒），可進入地球的大型極化自旋源，並實現週期性訊號調製以降低雜訊。
低地球軌道（LEO）為SQUIRE計畫提供了多重優勢。首先，中國太空站相對於地球的高速運動（7.67 公里/秒）提高了感測器對速度相關相互作用的敏感度。想像一下，就像在高速行駛的火車上更容易觀察到窗外的細微變化一樣，高速運動使得感測器能夠更敏銳地捕捉到微弱的信號。其次，地球本身就是一個巨大的極化自旋源，其地幔和地殼中未配對的地電子提供了地面實驗室無法比擬的自旋數量。這就像找到了一個巨大的天然實驗室，為我們提供了豐富的研究資源。第三，軌道運動將奇異相互作用的信號轉化為週期性信號，便於從背景雜訊中區分出來。這就像在嘈雜的環境中過濾出特定的聲音，讓目標信號更加清晰。
SQUIRE的太空優勢使奇異場幅度檢測達到 20 pT，超過地面閾值幾個數量級。
SQUIRE的太空優勢使得對奇異場幅度的檢測能夠達到前所未有的精度，預計可達 20 皮特斯拉（pT），遠遠超過地面實驗室的閾值。這種靈敏度的提升，對於檢測速度相關的相互作用而言，尤為重要。具體來說，對於作用力範圍大於 10^6 米的相互作用，靈敏度可以提高 6 到 7 個數量級。這意味著我們有機會發現全新的物理現象，並對宇宙的組成和演化有更深入的理解。
原型量子感測器採用雙惰性氣體自旋感測、振動補償和抗輻射架構。
為了應對太空環境的挑戰，SQUIRE團隊開發了一種原型量子感測器，採用了多項創新技術。雙重惰性氣體自旋感測器利用 129Xe 和 131Xe 同位素，消除共享磁雜訊，同時保持對目標信號的敏感度。光纖陀螺儀追蹤太空船的振動，實現主動校正。此外，感測器採用防輻射架構，保護系統免受宇宙射線的影響。這些技術創新使得感測器能夠在極端環境下穩定工作，並提供高精度的測量結果。
原型機實現了 4.3 fT @ 1165 s 的單次靈敏度，非常適合檢測與暗物質搜尋相關的 SSVI 訊號。
原型機的單次靈敏度達到了 4.3 飛特斯拉（fT）@ 1165 秒，這使得它非常適合檢測與暗物質搜尋相關的自旋速度相關相互作用（SSVI）信號。這項成就建立了在軌進行精確暗物質搜尋的強大技術基礎，並為檢測符合 1.5 小時軌道週期的 SSVI 信號奠定了基礎。這意味著，SQUIRE 有望在揭示暗物質的本質方面取得突破性進展。
太空-地面量子感測網路
SQUIRE 提出了一個「太空-地面整合」網路，以提高各種暗物質模型和超越標準模型物理學的靈敏度。
SQUIRE 計畫不僅僅是一項單獨的太空任務，它還提出了建立一個「天地一體化」的量子感測網路。通過連接軌道探測器與地面探測器，該網路能夠在更廣泛的暗物質模型和其他超越標準模型的可能性中實現更高的靈敏度。這包括對軸子暈的搜尋和對 CPT 違反的研究。這種整合的策略，能夠充分利用太空和地面實驗的優勢，提供更全面的研究結果。
未來的任務可能會利用木星和土星等行星作為大型天然自旋源，擴大物理探索的範圍。
SQUIRE計畫的未來願景更加令人興奮。隨著中國太空探索的深入，SQUIRE計畫甚至可以利用木星和土星等行星作為大型天然自旋源，探索更廣闊宇宙尺度的物理學。行星的高速運動增加了軸子暈和核子自旋之間的耦合，從而提高了靈敏度。這就像將實驗室擴展到了整個太陽系，為我們提供了前所未有的研究機會。
SQUIRE計畫的成功將為我們理解宇宙的基本構成和相互作用開闢新的途徑。它不僅可能揭示暗物質的本質，還可能發現全新的物理現象，徹底改變我們對宇宙的認識。要了解更多關於這個項目的資訊，可以搜尋 “SQUIRE: Space-Based Quantum Sensing for New Physics” 。 這是一個值得台灣學者和研究生關注的領域，它代表了人類探索宇宙奧秘的最新努力，也可能為未來的科學發展帶來革命性的影響。
Science China Press. (2025, December 6). Scientists are turning Earth into a
giant detector for hidden forces shaping our Universe. ScienceDaily. Retrieved
December 6, 2025 from www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251205054737.htm\n—\n Story Source:
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