從經典測量到量子測量，精度正躍升

圖片來源@視覺中國

文 | 根新未來

門捷列夫曾經說過“沒有測量，就沒有科學”。

在測量的同時， 現代工業和現代國防 還對測量提出了更加“精密”的要求，畢竟， 測量越精密， 帶來的 資訊就可以越 精確。 實際上，整個現代自然科學和物質文明就是伴隨著測量精度的不斷提升而發展的。以時間測量為例，從古代的日晷、水鍾，到近代的機械鐘，再到現代的石英鐘、原子鐘，時間測量的精度不斷提升，通訊、導航等技術才得以不斷髮展。

在對更高精度測量的追求下，近年來， 隨著量子技術的進步和第二次量子革命的到來 ， 利用量子精密測量技術實現的精密儀器 ， 正在 使物理量的測量達到前 所未有的極限精度 。量子精密測量有望引領新一代感測器的變革，讓我們以前所未有的精度對物質進行測量。

從經典測量到量子測量

在經典力學的世界裡，也就是在非量子物理學中， “測量”被定義為一種獲取一個物理系統中某些屬性相關資訊的行為，無論這一系統是物質的還是非物質的。 獲取的資訊則包括速度、位置、能量、溫度、音量、方向等等。

這種對測量的定義，一方面會讓人認為一個物理系統自身所具有的每一個屬性都有一個確定的值，甚至是一個註定的值，在測量開始前就已確定。另一方面，這種如此直觀和自然的定義也會讓人們覺得所有屬性都是可以測量的，且獲得的資訊都無一例外忠實地反映了被測量的屬性，不受測量工具和測量者的影響。

也就是說， 在經典力學 的世界裡 ，物體的狀態是可以被測量的，並且測量行為對被測物件的干擾可以忽略不計。 然而，在持續了許多個世紀以後，這種對於測量的認識卻因為20世紀初量子力學以及相對論的誕生徹底發生了改變。

量子力學革命性的新理論顛覆了物理學上一切在以往看來是確定且不變的東西：時間和空間的本質，同時性、同一性、局域性的概念，甚至是帶有很大直覺性色彩的實在性的概念。 當然，這也帶來了測量的變革 。

在量子層面，對一個物理量進行觀察或測量，得到的結果是隨機的，物體的狀態也會在測量時突然改變。人們能夠知道且可以肯定的，是這些結果會出現的概率。這有點像搖彩票用的箱子裡裝的小球，每一個球被搖出來都是隨機的，且搖到每個球的概率是完全相同的。

這些概率與研究物件波的一面直接相關。而所謂“波”，就是薛定諤在德布羅意的研究基礎上提出來的波——任何物體（無論是物質的還是非物質的）都有與之相關的波。這是一種數學上的波，也叫波函式——波函式也是描述量子態的函式。 如果我們要測量位置資訊，那麼在掌握了波在某一處的強度後，我們就能通過適當的測量得出物體在這一處出現的概率。

因此，一個物理系統的薛定諤波就可以看作一個量子態的特殊呈現。這種特殊呈現取決於系統中每個組成部分的位置（量子態的位置表徵）。

量子物理學認為，任何一個量子態都可以用某些特殊的狀態來表示。這些特殊狀態叫本徵態，與所進行的測量操作直接相關。這些測量本徵態的定義也非常簡單：能得出確定的測量結果的所有狀態都是本徵態。

並且，由於波函式的坍縮，即在測量之後，被測量的物理系統會瞬間坍縮至與測量結果相對應的本徵量子態。 因此，經過測量之後，系統的量子態就可以被很好地確定下來並能被人們準確地獲知 。

基於此，通過對量子態進行操控和測量，對原子、離子、光子等微觀粒子的量子態進行製備、操控、測量和讀取，配合資料處理與轉換， 人類在精密測量領域得以躍遷至一個全新的階段， 實現對角速度、重力場、磁場、頻率等物理量的超高精度精密探測 。

引領一代感測器的變革

我們已經知道，量子測量就是使人們可通過操作微觀粒子（如光子、原子、離子等），分析待測物理量變化導致的量子態改變來實現的精密測量。量子測量不僅使人類在測量精度上得以飛躍，更有望引領一代感測器的變革， 畢竟， 量子精密測量 還需要通過工具來實現，而量子測量 的實用化產品 就 是量子感測器 。

比如，在時間測量方面， 按照原子躍遷能級譜線對應的頻段， 科學家們發明了原子鐘。 玻爾的原子理論認為，原子從一個“能量態”躍遷至低的“能量態”時便會釋放電磁波，這種電磁波特徵頻率是不連續的。1967年，國際計量大會對“秒”做出了重新定義：銫原子中電子能級躍遷週期的9192631770倍為1秒。這是量子理論在測量問題上的第一個重大貢獻。

當前，我們熟悉的北斗導航衛星，就是應用原子鐘實現了精準導航。從100萬年誤差1秒，到500萬年誤差1秒，再到37億年誤差1秒隨著量子精密測量技術的快速發展，基於量子精密測量的陀螺及慣性導航系統具有高精度、小體積、低成本等優勢，將對無縫定位導航領域提供顛覆性新技術。在這場追求更高精度的科技競賽中，世界各國科學家研發的原子鐘還在不斷重新整理著科學的極限。

另外，基於量子相干性的測量技術， 即 利用量子的物質波特性，通過干涉法進行外部物理量的測量 ， 科學家們得以開發出具有高精度 的陀螺儀、重力儀、重力梯度儀等。 其中，基於原子干涉技術路線的量子重力儀則是目前發展最為成熟的。它可以和重力梯度儀一同使用，進行探測地下結構、車輛檢查、隧道檢測、地球科學研究，量子重力儀的使用有望降低土木工程和地質調查的成本，並能夠作為一種基礎物理應用檢測的可能替代方法。

目前，美國、法國等少數幾個國家已解決了冷原子干涉系統的長期穩定性和整合問題，正著力於攻克高動態範圍和微小型化等應用難題，產品進入實用化階段。中國的華中科技大學也已經於2021年將研製的實用化高精度銣原子絕對重力儀交付中國地震局地震研究所，這是我國首臺為行業部門研製的量子重力儀，同時也意味著中國量子重力儀研究進入國際第一梯隊。

量子測量在健康領域也展現出極大的發展潛力。原子磁力計目前實用化方向主要就是生物醫學領域， 比如 ，神經功能研究， 並 為了解和治療阿爾茨海默病、帕金森病等提供了更全面的支撐 。

當前，醫院使用的腦磁圖（MEG）診斷方式是通過SQUID獲得磁場資料，裝置佔地面積大、價格昂貴、需液氦製冷、維護成本高，不利於大規模推廣應用。而無自旋交換弛豫（SERF）磁力計、光泵磁力計（OPM）則實現了磁力測量裝置的小型化。SERF原子磁力計具有對低頻訊號敏感、室溫執行、功耗低、小型化、可穿戴等優點，解析度也與SQUID接近或超越，適合大規模推廣應用。至於OPM磁力計，2021年，諾丁漢大學與Magnetic Shields公司合作設立的Cerca Magnetics公司，就推出了新型的可穿戴式腦磁圖掃描器（OPM+MEG）。

不僅如此， 由於量子測量極高的靈敏度，在保持目標檢測能力不變的前提下，量子測量所需的發射功率更低。 這樣有利於裝置的小型化，在載荷有限的平臺上裝配具有較大優勢。如果採用量子元器件替換普通電子元件，測量裝置的體積可以減少一半甚至更多。

另外， 相比經典測量，基於量子態的測量表徵了量子的微觀特性，可以提取更多維度的目標資訊。 除了巨集觀的空間、時間和頻域特徵外，量子測量可利用的資訊資源更為豐富，如光子的偏振、糾纏等，這些資訊更是提升目標測量的維度，增強了目標識別能力。

精度的躍升

自古即今，人類已經走過來幾千年的計量史。人類的先祖為了將大自然裡“不可數”的事物轉化為“可數”，發明了“單位”，這個轉化的過程就是“測量”。後來，人類進入了農耕文明，在農業社會空前的文明規模下，人類將原始單位發展成了完整的“度量衡”制度，這三者構成了文明社會的根基。 當然，古代計量制度最大的缺陷就是不精確。

以時間的測量為例，時間是人類能夠接觸到的物理量中的一個很難測準的量，但與此同時，地球自轉造成的晝夜變化，又是對全世界人類來說一個頗為理想的平等度量。所以，時間可以作為所有測量的基準— —時間可以匯出長度，長度匯出質量，長度和質量再匯出萬千世界的所有單位。

儘管古人很難測準時間，但到了機械鐘錶的時代，人類已經可以用最精密的齒輪傳動機械，將鐘錶上的“秒”與地球一個晝夜週期的1/86400對準到了極致。計時精度到了“每年誤差僅1秒”這個量級，也就超過了地球自身擁有的最大基準——地球公轉週期“一年”。

但沒過多久，20世紀中葉出現的石英鐘又帶來了新一波精度的革命。石英鐘以其簡單的技術和低廉的成本，給人類計時的精度帶來了顛覆性的突破，此時計時工具的誤差區間甚至遠遠超越了人類的壽命，每千年才誤差近1秒。 很快，人類又進一步發明了原子鐘，它的精度更是來到了討論地球年齡時才用到的範圍——每千萬年甚至每億年誤差1秒。

時間測量精度的進步，從根本上來說，則是因為人們對於測量的認識變化。從擺鐘開始，人類測量時間的原理其實就成了“數數”，確切說，是“數一個往復運動的週期數”——在一段預先設定的時間如1秒內一個穩定的往復運動迴圈的次數，在物理學上被稱為“頻率”。

因此，為了提高通過“數數”得到的“秒”的精度， 我們只需要找到一個在1秒的時間內能往復更多次（頻率更大）的運動形式，並讓訊號接收裝置把運動的每一個迴圈都標記成數目。 而在用傳統的測量工具，比如尺子和天平時，看刻度或判斷秤盤是否平衡這種主觀判斷，正是制約測量精度的最大瓶頸。

目前的國際單位制中，“秒”的定義用到的“銫頻率”在109赫茲（GHz）的量級，也就是1秒內要數10億次數——這對於古人來說，幾乎是不可想象的。

如今，量子精密測量技術覆蓋範圍已經非常廣泛，涉及國際單位制中的七個基本單位，除了時間單位外，還有長度、電流、溫度、質量等基本單位基準的研製和精度提升；也涉及大量匯出單位的精確測量，包括慣性、磁性、重力等量值的精確測量，以及基於量子技術的儀器研製及方法提升。

當然，量子精密測量技術也涵蓋利用這些超精密儀器和技術對物理學基本規律檢驗和對基本物理常數精確測定等研究。

精度的躍遷背後，也留下了人類文明發展的痕跡，目前，世界上多個國家的研究機構和科技巨頭們都在開展量子測量技術的工程化、小型化應用研究。可以預見，未來，量子測量技術還將會在通訊、能源、航空等諸多領域發揮越來越重要的作用，並引領一代感測器的革命。