精密测量院在中国空间站实现国际首次在轨量子等效原理检验

近日，精密测量院詹明生、陈曦研究团队联合合肥国家实验室、中国科学院空间应用工程与技术中心、武汉量子技术研究院，在中国空间站上成功实现国际上首个在轨弱等效原理（Weak Equivalence Principle, WEP）量子检验。该项工作为首个空间原子“伽利略比萨斜塔”实验。研究团队利用自主研制的空间冷原子干涉仪（CSSAI），对铷-85和铷-87两种同位素原子的自由落体行为进行了长达280天的数据积累，获得了2.8×10^-8的检验分辨率以及4.7×10^-7的检验精度，将此前微重力环境下原子干涉弱等效原理检验的最好精度水平提升了三个数量级。相关研究成果近日发表于《科学进展》（Science Advances）上。

 中国空间站冷原子干涉仪等效原理检验示意图

弱等效原理是爱因斯坦广义相对论的基石，其基本表述是：在引力场中，所有物体都具有相同的加速度，与自身的质量和内部结构无关。自伽利略的比萨斜塔实验以来，物理学家从未停止对这一原理的检验，任何微小的偏离都将意味着超越广义相对论的新物理的存在。原子干涉仪是一种利用原子的量子波动性进行超高精度测量的装置。其灵敏度与干涉时间T的平方成正比，在地面上原子有限的自由落体时间是限制灵敏度的一个关键因素，而在太空微重力环境中，原子的自由落体时间不再受地面重力加速度的限制，这为大幅提升测量精度提供了前所未有的机遇。然而，空间站并非理想的“静止实验室”：它持续绕地飞行，存在明显的残余加速度和约1.138 mrad/s的自转。如何在空间运动环境中让原子干涉仪正常工作，是这项研究面临的最大挑战。

研究团队为此开发了三项核心技术。一是平台运动抑制技术，通过精密控制一个压电倾斜镜的角度，消除了空间站自转对原子干涉的退相干效应，将单次测量中的平台运动噪声降低了超过一个数量级；二是荧光探测切换技术，解决了双同位素荧光图像重叠的问题，通过交替改变铷-85和铷-87的荧光探测顺序，将空间频率失配导致的相位误差抑制了1000倍以上；三是双光子失谐切换技术，通过交替改变拉曼激光的双光子失谐符号，消除了干涉回路不对称引入的残余相位误差。

在长达280天的在轨运行中，团队获取了超过9700组干涉条纹数据。经过系统误差校正后，测得的平均差分相位为(−0.10±0.17)弧度，对应的Eötvös参数η = (−2.7±4.7)×10⁻⁷——结果与零一致，表明在当前精度下未观测到弱等效原理的违背。

此前，基于原子干涉的微重力弱等效原理检验主要在地面落塔、抛物线飞机和探空火箭等短时微重力平台上进行，最高精度仅达到10⁻⁴量级。本工作将精度提升了三个数量级，充分展示了冷原子干涉技术从短时微重力平台成功跨入永久性轨道实验室后的优势。

CSSAI于2022年11月12日搭载天舟五号货运飞船发射升空。该仪器尺寸仅为460mm×330mm×260mm，重量不超过35公斤，功耗小于70瓦。研究团队在不到两年的时间内完成了从原理样机到飞行正样的全部研制历程，突破了双组分冷原子干涉仪的多项关键技术。此前，研究团队曾于2025年1月在《国家科学评论》（National Science Review）上发表了利用CSSAI 实现的在轨冷原子陀螺仪的工作，实现了首次空间基于原子干涉方案的惯性传感。

该项工作不仅是对爱因斯坦理论的一次重要检验，更验证了空间量子精密测量的关键核心技术，为未来空间量子惯性传感器的实际应用开辟了新的道路。相关成果为未来空间基础物理实验奠定了重要技术基础。国际上多个国家已规划了基于空间冷原子干涉仪的科学计划，包括STE-QUEST、AEDGE、SAGE等。未来结合无拖曳航天技术、深度冷却原子系综以及更长的探寻时间，空间原子干涉仪有望将弱等效原理的检验精度提升至10^⁻17甚至更高水平。

该研究工作得到了中国载人航天工程、“量子通信与量子计算机”国家科技重大专项、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeh4502