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贾浩楠 发自 凹非寺 量子位 报道 | 公众号 QbitAI140万公里，这是全球海底光缆的总长度。 / K) z9 Z" h& |% `% i
如今，这遍布全球的光缆网络，可能被赋予另一项重要使命：地震监测。
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上周五，谷歌CEO皮猜发推宣布，谷歌已经开发出了用光缆检测地震的技术，探测范围达到十万公里。 & |% V* F! f* T
而且，今年一月以来，这项技术已经成功检测到了多起地震，完全具有了实用意义。
. y4 @+ K% P$ j. S- W 最重要的的是，采用光缆探测传递地震信号，反应时间降低至毫秒级。 $ S$ I3 n/ C' [1 l; Q7 ~& d
毫秒级的地震预警如何实现. d+ V3 }) B( e
2020年1月28日，谷歌的研究人员使用海底光缆，在牙买加附近检测到一次7.7级地震。震中距离谷歌用来检测的光缆1500公里。 5 T' e4 i5 ^7 H" K. X9 l' g' r
在此之后的几个月，研究人员又检测到了多次发生在世界各地的地震情况。地震烈度从4-6级都能准确检测。 $ m8 u% H Q, `; V8 j: c9 D4 [
3 S* ^2 ]% u5 c; M& ` 那么谷歌是如何做到的呢？ . _' P* O: L- |2 s% X9 U$ b; d$ \
在光缆中，光脉冲以每秒204190公里的速度传播，这个过程中，光脉冲会由于机械干扰等原因会产生失真，接收端会检测到这种失真并加以修正。 $ U; T- Z( z& V. T
而接收端检测的一个重要参数就是光脉冲的偏振态SOP（state of polarization）。
+ `- n2 p+ k* I# W 地震发生时，海底光缆受到地壳运动的影响产生机械形变，光纤的变形会导致在其中传输的光脉冲信号的偏振态（SOP）发生变化。 $ |- g" i% V7 o* _4 t( E6 j
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△传统的海底地震观测方法 9 q6 {9 F1 D; l0 \2 l3 _0 P5 H! Q
通过监测和跟踪极化活动状态的这些变化，可以检测地震活动。
8 V$ q& j7 W* O2 ~& O" V0 b/ | 但是，由于真实环境的复杂，谷歌的研究人员一直无法在SOP信号中分辨出真实的地震信号。 * e# A1 U j* A9 H
2018年，Science上的一篇来自法国的论文详细阐述了用海底光缆检测地震的方案。 , C, W e+ m% h1 z" ]2 h. o. S
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他们的实验使用窄带超稳定观察光脉冲的相位变化，这尽管需要安装大量传感器，且探测范围很小，但这个思路给了谷歌研究人员启发。
5 `6 x w$ y7 ]2 L9 V! t 谷歌提出了一种基于SOP频谱特征来检测地震的方法：对SOP的斯托克斯参数进行频谱分析。 9 Q, ^4 X, Y l! m
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这是今年一月检测到的牙买加7.7级地震时的光缆SOP频谱图：斯托克斯向量S1（左），S2（中心），S3（右），展示了SOP（极化状态）的定量分析。
% x9 g A8 k) ]! { E X轴为时间，Y轴为频率，以赫兹为单位，不同的颜色代表不同的光谱密度。 5 f" v6 s8 c0 Z. J0 z' u7 Y. A% y
地震发生后大约五分钟时SOP频谱出现明显的峰值，这与地震波从牙买加到电缆的传播时间相关，峰值持续时间约为10分钟。 ; [' I! n5 X9 M; a. w. G
现在，谷歌已经在和加州理工大学合作开发这一项目，根据加州理工地震实验室的说法，除了预测地震，这项技术还可以用来检测光缆附近海水压力的变化，帮助人们预警海啸。
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传统的声学地震或海啸探测预警装置最大的缺点就是不够及时，因为海水中声波速度只有800km/h，而如果震中附近刚好有一条光缆，那么地震信息可以在几毫秒内传达到检测站。
. z4 s% M! J- P6 A2 ?! o9 j9 {+ }( P 此外，谷歌SOP频谱分析不需要在光缆上安装大量传感器，大大节约了成本和时间。 4 o% U6 j+ ^) F, C/ U
光缆大户：你不知道的谷歌4 S8 g' e' O' w* x" q4 w0 p% D
当然，谷歌这项技术还只是在实验阶段，研究人员还需要更深入的研究不同类型的地震波在光缆SOP频谱上的反映。谷歌还透露，今后可能会利用机器学习的手段来进行复杂的频谱分析。 " O8 l _: ^% a% M2 n
此外，应用这项技术的一个难题就是光缆的使用许可了。要建立覆盖全球的地震检测网，就不得不获得各个国家海底光缆的使用权限。
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+ ]1 ~5 Z( H1 m# n- @ { △谷歌目前投资兴建的所有海底光缆
! s$ N. m" C/ w- J& r2 f @7 F 这项工作前景还不甚明朗，但谷歌早就有另一手准备。
. |1 ]- C8 F; J8 \. J: o& Z2 q% P 目前，谷歌已在全球范围内投资了1条国际海底光缆，约占全球海底光缆网络总长度140万公里的10％。
" Z- y/ `' E2 @- W: M$ \ 其中的“居里”光缆是连接一条连接美国西海岸到智利的光缆，全场约1万公里，据外媒推测，这就是今年一月谷歌检测牙买加地震时用的光缆。 " r. N; K, ]: I: i
而且，与谷歌投建的其他光缆线路不同，这条“居里”光缆，完全是谷歌私有的。
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" o& x& u( j& y1 I* {+ [/ \ 谷歌大力投资光缆项的最初目的是为了推广它的云服务到世界各地。 & r( v( s( A9 q5 q
而现在，科技的进步却赋予了海底光缆这一冰冷的商业项目更加人道和高尚的使命。 8 i, ?8 g0 h7 K% z" m
参考链接
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