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近日，中國科學技術大學等系統實現了核自旋量子精密測量技術的原理性突破，并構建了國際首個基于核自旋的城際量子傳感網絡，首次在實驗上突破了對拓撲缺陷軸子暗物質約束的天體物理觀測極限。當前研究表明，在宇宙的物質構成中，普通可見物質僅占約4.9%，而暗物質則占約26.8%。然而，暗物質的微觀本質仍是現代物理學的謎團。破解這一謎團的關鍵在于尋找暗物質候選粒子，其中軸子成為當前理論動機最強的候選者之一。軸子構成的場在宇宙早期相變中可能產生拓撲缺陷——這是一種類似宇宙弦或疇壁的、具有穩定結構的宏觀“褶皺”。當這種結構穿越地球時，會與地面上部署探測器中的原子核自旋發生相互作用產生旋轉信號。但是，由于信號極其微弱且持續時間短，對探測技術提出了極高要求?？蒲袌F隊創新性地發展了核自旋量子精密測量技術，原理性突破了惰性氣體原子（129Xe）核自旋對瞬時信號的響應探測難題，將微秒級別的暗物質拓撲缺陷結構信號“存儲”到接近分鐘級別的核自旋相干態中。同時團隊結合自主提出的核自旋量子放大技術，將微弱信號放大了至少100倍，使得自旋旋轉探測靈敏度達到約1微弧度，較之前實驗室探測技術實現了約4個量級的靈敏度提升。為進一步提升探測靈敏度、抑制局部噪聲并排除單站式探測盲區，團隊建成了國際首個基于核自旋的城際量子傳感網絡。該網絡由分布于合肥—杭州的5臺自主研發的核自旋量子傳感器組成，利用衛星同步實現跨度為320公里的分布式量子傳感，構成了超靈敏的暗物質信號鑒別系統。長基線使得真實暗物質事件在不同節點間產生可分辨的信號延遲與相位差，結合多節點數據的三維擬合，能有效抑制局部干擾，成功將誤報率降低約三個數量級。相較于國際上已有的基于堿金屬傳感器的全球核子磁力計網絡（GNOME），該新型核自旋探測網絡的能量分辨率提升了約4個量級，為拓撲缺陷暗物質提供了更強大的探測工具。通過連續2個月的觀測與量子傳感網絡數據關聯分析，團隊未發現統計顯著的拓撲缺陷穿越事件?；诖恕盁o信號”結果，團隊在軸子質量10 peV至0.2 μeV的寬廣范圍內，給出了迄今最嚴格的軸子—中子耦合實驗室限制。尤其在84 peV附近，耦合尺度上限達4.1×1010?GeV，比超新星SN1987A的天體物理限制高出40倍，首次在該質量區間實現了實驗室探測對天文觀測的超越，為探索天文觀測以外的物理參數空間提供了手段。這一研究是團隊在量子精密測量與基礎物理研究的交叉科學前沿取得的最新突破，實現了從單站式測量到多站點協同探測的跨越，通過構建分布式傳感器網絡，系統性地開展了瞬態暗物質的實驗搜尋，不僅為拓撲缺陷暗物質探測提供全新途徑，也為搜尋軸子星、軸子弦等更多超越標準模型的瞬態新現象開辟了新方向。此類傳感器網絡可與引力波天文臺等設施協同，構成多信使觀測網絡，捕捉雙黑洞并合等極端天體事件可能釋放的軸子輻射，開啟了探索暗物質與宇宙極端事件關聯的新窗口。團隊計劃通過全球組網、空間部署及發展新一代的惰性氣體核自旋量子傳感技術，將探測靈敏度再提升104倍，邁向更深遠的物理前沿。相關研究成果發表在《自然》（Nature）上。論文鏈接A：宇宙構成成分圖；B：基于城際量子傳感網絡的暗物質搜尋。該網絡由位于合肥中國科學技術大學的4臺量子傳感器與位于杭州浙江工業大學的一臺量子傳感器組成。