文｜觀察未來科技
門捷列夫曾經(jīng)說過“沒有測量，就沒有科學”。
在測量的同時，現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代國防還對測量提出了更加“精密”的要求，畢竟，測量越精密，帶來的信息就可以越精確。實際上，整個現(xiàn)代自然科學和物質(zhì)文明就是伴隨著測量精度的不斷提升而發(fā)展的。以時間測量為例，從古代的日晷、水鐘，到近代的機械鐘，再到現(xiàn)代的石英鐘、原子鐘，時間測量的精度不斷提升，通信、導航等技術(shù)才得以不斷發(fā)展。
在對更高精度測量的追求下，近年來，隨著量子技術(shù)的進步和第二次量子革命的到來，利用量子精密測量技術(shù)實現(xiàn)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(lǐng)新一代傳感器的變革，讓我們以前所未有的精度對物質(zhì)進行測量。
從經(jīng)典測量到量子測量
在經(jīng)典力學的世界里，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(tǒng)中某些屬性相關(guān)信息的行為，無論這一系統(tǒng)是物質(zhì)的還是非物質(zhì)的。獲取的信息則包括速度、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(tǒng)自身所具有的每一個屬性都有一個確定的值，甚至是一個注定的值，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，且獲得的信息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(jīng)典力學的世界里，物體的狀態(tài)是可以被測量的，并且測量行為對被測對象的干擾可以忽略不計。然而，在持續(xù)了許多個世紀以后，這種對于測量的認識卻因為20世紀初量子力學以及相對論的誕生徹底發(fā)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(zhì)，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(jié)果是隨機的，物體的狀態(tài)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(jié)果會出現(xiàn)的概率。這有點像搖彩票用的箱子里裝的小球，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。
這些概率與研究對象波的一面直接相關(guān)。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(zhì)的還是非物質(zhì)的）都有與之相關(guān)的波。這是一種數(shù)學上的波，也叫波函數(shù)——波函數(shù)也是描述量子態(tài)的函數(shù)。如果我們要測量位置信息，那么在掌握了波在某一處的強度后，我們就能通過適當?shù)臏y量得出物體在這一處出現(xiàn)的概率。
因此，一個物理系統(tǒng)的薛定諤波就可以看作一個量子態(tài)的特殊呈現(xiàn)。這種特殊呈現(xiàn)取決于系統(tǒng)中每個組成部分的位置（量子態(tài)的位置表征）。
量子物理學認為，任何一個量子態(tài)都可以用某些特殊的狀態(tài)來表示。這些特殊狀態(tài)叫本征態(tài)，與所進行的測量操作直接相關(guān)。這些測量本征態(tài)的定義也非常簡單：能得出確定的測量結(jié)果的所有狀態(tài)都是本征態(tài)。
并且，由于波函數(shù)的坍縮，即在測量之后，被測量的物理系統(tǒng)會瞬間坍縮至與測量結(jié)果相對應的本征量子態(tài)。因此，經(jīng)過測量之后，系統(tǒng)的量子態(tài)就可以被很好地確定下來并能被人們準確地獲知。
基于此，通過對量子態(tài)進行操控和測量，對原子、離子、光子等微觀粒子的量子態(tài)進行制備、操控、測量和讀取，配合數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換，人類在精密測量領(lǐng)域得以躍遷至一個全新的階段，實現(xiàn)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(lǐng)一代傳感器的變革
我們已經(jīng)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(tài)改變來實現(xiàn)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(lǐng)一代傳感器的變革，畢竟，量子精密測量還需要通過工具來實現(xiàn)，而量子測量的實用化產(chǎn)品就是量子傳感器。
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(fā)明了原子鐘。玻爾的原子理論認為，原子從一個“能量態(tài)”躍遷至低的“能量態(tài)”時便會釋放電磁波，這種電磁波特征頻率是不連續(xù)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周期的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(wèi)星，就是應用原子鐘實現(xiàn)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(shù)的快速發(fā)展，基于量子精密測量的陀螺及慣性導航系統(tǒng)具有高精度、小體積、低成本等優(yōu)勢，將對無縫定位導航領(lǐng)域提供顛覆性新技術(shù)。在這場追求更高精度的科技競賽中，世界各國科學家研發(fā)的原子鐘還在不斷刷新著科學的極限。
另外，基于量子相干性的測量技術(shù)，即利用量子的物質(zhì)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(fā)出具有高精度的陀螺儀、重力儀、重力梯度儀等。其中，基于原子干涉技術(shù)路線的量子重力儀則是目前發(fā)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(jié)構(gòu)、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(zhì)調(diào)查的成本，并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(shù)幾個國家已解決了冷原子干涉系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和集成問題，正著力于攻克高動態(tài)范圍和微小型化等應用難題，產(chǎn)品進入實用化階段。中國的華中科技大學也已經(jīng)于2021年將研制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(yè)部門研制的量子重力儀，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(lǐng)域也展現(xiàn)出極大的發(fā)展?jié)摿?。原子磁力計目前實用化方向主要就是生物醫(yī)學領(lǐng)域，比如，神經(jīng)功能研究，并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(yī)院使用的腦磁圖（MEG）診斷方式是通過SQUID獲得磁場數(shù)據(jù)，設備占地面積大、價格昂貴、需液氦制冷、維護成本高，不利于大規(guī)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(xiàn)了磁力測量設備的小型化。SERF原子磁力計具有對低頻信號敏感、室溫運行、功耗低、小型化、可穿戴等優(yōu)點，分辨率也與SQUID接近或超越，適合大規(guī)模推廣應用。至于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儀（OPM+MEG）。
不僅如此，由于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(fā)射功率更低。這樣有利于設備的小型化，在載荷有限的平臺上裝配具有較大優(yōu)勢。如果采用量子元器件替換普通電子元件，測量設備的體積可以減少一半甚至更多。
另外，相比經(jīng)典測量，基于量子態(tài)的測量表征了量子的微觀特性，可以提取更多維度的目標信息。除了宏觀的空間、時間和頻域特征外，量子測量可利用的信息資源更為豐富，如光子的偏振、糾纏等，這些信息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(jīng)走過來幾千年的計量史。人類的先祖為了將大自然里“不可數(shù)”的事物轉(zhuǎn)化為“可數(shù)”，發(fā)明了“單位”，這個轉(zhuǎn)化的過程就是“測量”。后來，人類進入了農(nóng)耕文明，在農(nóng)業(yè)社會空前的文明規(guī)模下，人類將原始單位發(fā)展成了完整的“度量衡”制度，這三者構(gòu)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(zhuǎn)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——時間可以導出長度，長度導出質(zhì)量，長度和質(zhì)量再導出萬千世界的所有單位。
盡管古人很難測準時間，但到了機械鐘表的時代，人類已經(jīng)可以用最精密的齒輪傳動機械，將鐘表上的“秒”與地球一個晝夜周期的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(zhuǎn)周期“一年”。
但沒過多久，20世紀中葉出現(xiàn)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(shù)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(qū)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(fā)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范圍——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，則是因為人們對于測量的認識變化。從擺鐘開始，人類測量時間的原理其實就成了“數(shù)數(shù)”，確切說，是“數(shù)一個往復運動的周期數(shù)”——在一段預先設定的時間如1秒內(nèi)一個穩(wěn)定的往復運動循環(huán)的次數(shù)，在物理學上被稱為“頻率”。
因此，為了提高通過“數(shù)數(shù)”得到的“秒”的精度，我們只需要找到一個在1秒的時間內(nèi)能往復更多次（頻率更大）的運動形式，并讓信號接收裝置把運動的每一個循環(huán)都標記成數(shù)目。而在用傳統(tǒng)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(nèi)要數(shù)10億次數(shù)——這對于古人來說，幾乎是不可想象的。
如今，量子精密測量技術(shù)覆蓋范圍已經(jīng)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(zhì)量等基本單位基準的研制和精度提升；也涉及大量導出單位的精確測量，包括慣性、磁性、重力等量值的精確測量，以及基于量子技術(shù)的儀器研制及方法提升。
當然，量子精密測量技術(shù)也涵蓋利用這些超精密儀器和技術(shù)對物理學基本規(guī)律檢驗和對基本物理常數(shù)精確測定等研究。
精度的躍遷背后，也留下了人類文明發(fā)展的痕跡，目前，世界上多個國家的研究機構(gòu)和科技巨頭們都在開展量子測量技術(shù)的工程化、小型化應用研究?？梢灶A見，未來，量子測量技術(shù)還將會在通信、能源、航空等諸多領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，并引領(lǐng)一代傳感器的革命。