中科大建成城際核自旋量子傳感網絡，刷新暗物質探測儀器精度

暗物質探測是現代物理學與宇宙學的核心命題，探測儀器的精密化、網絡化水平決定探索邊界。近日，中科大自旋磁共振實驗室彭新華、江敏教授團隊及合作者，在量子傳感儀器技術上實現突破，構建全 球首 個基于核自旋的城際量子傳感網絡，突破拓撲缺陷軸子暗物質約束的天體物理觀測極限。

暗物質的微觀本質仍是物理學難題，其占宇宙物質的26.8%，軸子是最具理論價值的暗物質候選粒子。理論推測，軸子場形成的拓撲缺陷穿越地球時，會與探測器原子核自旋產生微弱且短暫（微秒級）的信號，對探測儀器的響應、存儲及放大性能提出極高要求，這也是長期以來的探測瓶頸。

針對這一瓶頸，團隊系統性發展核自旋量子精密測量技術，突破惰性氣體原子（12?Xe）核自旋瞬時信號探測難題。核心創新在于將微秒級暗物質信號“存儲”至近分鐘級核自旋相干態，并通過自主研發的量子放大技術將信號放大至少100倍，使自旋旋轉探測靈敏度達1微弧度，較此前同類儀器提升約4個量級，提供了核心儀器支撐。

為解決單一儀器的噪聲干擾、探測盲區問題，團隊將核自旋量子傳感器與城際組網結合，建成由5臺自主研發儀器組成的合肥-杭州城際傳感網絡，借助衛星同步實現320公里分布式探測，構建起超靈敏暗物質信號鑒別系統。

該網絡的長基線部署優勢顯著：真實暗物質事件會在各站點產生可分辨的信號延遲與相位差，經多節點數據擬合可有效抑制噪聲，將誤報率降低約三個數量級。相較于國際GNOME探測計劃，其能量分辨率提升約4個量級，為拓撲缺陷軸子暗物質探測提供了全新技術路徑。

經連續2個月觀測分析，團隊未發現顯著拓撲缺陷穿越事件，據此在軸子質量10 peV至0.2 μeV范圍內，給出迄今最嚴格的軸子-中子耦合實驗室限制。其中84 peV附近耦合尺度上限達4.1×101?GeV，比超新星SN1987A天體物理限制高出40倍，首次實現該質量區間實驗室探測對天文觀測的超越。

此次研究價值遠超暗物質探測：其核心技術可拓展至軸子星、軸子弦等新現象探測，還可與引力波天文臺協同構建多信使觀測網絡。團隊計劃通過全 球組網、空間部署及新一代儀器研發，將探測靈敏度再提升10?倍，推動量子傳感技術向更高精度發展。

該成果獲國際同行高度認可，審稿人評價其為相關領域提供了強大工具，將激發新的研究浪潮。這一突破源于團隊長期深耕該交叉領域，其此前提出的多項原創儀器技術方法，為本次突破奠定了堅實基礎。