image: 图1：空间量子传感器搜寻超轻奇异玻色子的示意图及原型空间量子传感器，包括汽化室、磁屏蔽、光纤陀螺仪和辐射屏蔽箱。 view more
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SQUIRE方案的核心原理：基于空间高速实验平台的奇异相互作用量子探测
奇异玻色子诱导的相互作用共包含16种形式，其中15种具有自旋依赖性，10种具有速度依赖性。这类相互作用可引起自旋能级的移动，因此可利用自旋量子传感器探测其产生的赝磁场信号。SQUIRE计划拟在中国空间站等空间平台上部署量子自旋传感器，搜寻传感器自旋与地球地电子之间由奇异相互作用诱导的赝磁场。该方案融合量子精密测量与空间技术，可以突破同时提升两个关键参数——相对速度与极化自旋数——的瓶颈。
空间探测奇异相互作用的关键优势在于：中国空间站运行于低地球轨道，相对于地球的稳定速度高达7.67 km/s，接近第一宇宙速度，比地面实验中运动源的速度快近400倍。同时，地球本身作为一个巨大的天然极化自旋源，其地磁场极化的地幔与地壳中未配对电子提供了约1042个极化电子自旋，远超实验室自旋源约1017倍。此外，空间平台的轨道运动可将奇异相互作用信号调制为周期性振荡信号。以中国空间站为例（轨道周期约1.5小时），信号频率被调制至约0.189 mHz，该频段的噪声水平远低于直流段噪声。
得益于空间探测的独特优势，即使在现有最严格耦合常数约束下，SQUIRE方案中奇异场所引起的幅度仍可高达20 pT，远超地面探测的灵敏度极限（0.015 pT），预期针对力程大于106 m的速度依赖型奇异相互作用的探测灵敏度提升6–7个数量级。
空间量子传感器原型机：构建满足空间环境苛刻要求的探测器
空间量子传感器原型机构建是实现SQUIRE探测方案的核心环节，要求传感器在复杂空间环境中保持高灵敏度与长期稳定性。空间自旋传感器主要面临三类干扰源：地磁投影波动、空间平台机械振动、以及宇宙辐射干扰。为应对这些挑战，SQUIRE团队研发的空间量子传感器原型机集成了三项突破性技术：（i）双惰性气体自旋传感器。原型机内采用磁旋比相反的129Xe和131Xe同位素构建自旋传感器，可有效抑制共模磁噪声，同时保持对奇异信号的响应能力。该技术实现了104倍的磁噪声抑制，结合多层磁屏蔽，可将地磁波动抑制至fT以下。（ii）振动补偿技术。原型机内置对振动敏感的光纤陀螺仪，结合主动补偿机制，将平台机械振动引起的噪声抑制至0.65 fT，达到可忽略水平。（iii）抗辐射技术。原型机控制电路采用三模冗余架构，减轻宇宙射线影响。经测试，该方法可将辐射导致中断减至每日不足1次。结合三项技术，SQUIRE空间传感器原型机在测试中实现了飞特级别灵敏度，为在轨开展高精度暗物质探测奠定了技术基础。
更广泛的科学影响：天地一体化探测网络
除了搜寻奇异相互作用外，部署于中国空间站的量子自旋传感器还将为一系列基础物理研究开辟新的可能。SQUIRE计划进一步提出构建“空间—地面一体化”量子传感网络，通过将轨道上的自旋传感器与地面自旋量子传感器协同组网，实现对多种物理现象更高效的探测。这一网络架构预计将显著提升对其他类型奇异相互作用、轴子晕以及CPT对称性破缺等信号的探测灵敏度。
具体而言，空间传感器的高速轨道运动可增强轴子晕与核子自旋之间的耦合效应，相比地面实验，探测灵敏度预计可提升一个数量级。进一步地，随着我国深空探测计划的持续推进，SQUIRE方案还将激发利用遥远行星（如木星、土星等富含极化粒子的天体）作为天然极化源，拓展物理探测的新前沿。这一思路有望在更广阔的宇宙尺度上探索超越标准模型的新物理。
Journal
National Science Review