从局限到优势，量子精密测量将为人类带来什么？

文/观察未来科技

如今，量子科技正在蓬勃发展，其中，量子精密测量则是量子科技的一个重要领域。

往前回溯到1927年。在这一年，海森堡提出了量子不确定性原理：粒子的位置与动量不可同时被确定，位置测定得越准确，动量的测定就越不准确，反之亦然。

虽然在量子计算、量子通信等领域，量子的不确定性被视作缺点，但在量子测量方面却成为可被利用的特点。量子体系与待测物理量相互作用，从而引发量子态的改变，得以实现对物理量进行测量。

与经典物理中的测量明显不同，量子测量不是独立于所观测的物理系统而单独存在的，而测量本身即是物理系统的一部分，所作的测量也会对系统的状态产生干扰，这并不妨碍量子测量的精度远超经典测量。

一般来说，按照对量子特性的应用，量子测量分为三个层次，第一个层次是基于微观粒子能级测量；第二个层次是基于量子相干性测量；第三个层次是基于量子纠缠进行测量，均突破了经典理论的极限。

第一个层次从20世纪50年代就逐步在原子钟等领域开始应用。其应用原理是，当原子从一个“能量态”跃迁至低一级“能量态”时，便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，被定义为共振频率。但在很长一段时间里，原子钟的实用性并不强，直到20世纪50年代才由扎卡来亚斯与美国Malden公司一起建造了商用原子钟，也就是今天用于GPS的铯原子钟的前辈。

量子测量的第二个层次是基于量子相干性的测量技术，利用量子的物质波特性，通过干涉法进行外部物理量的测仪、重力梯度仪等领域。遵循同一原理的超导量子干涉仪，可用于军事、医学、地学、地球物理、空间物理等领域。

虽然热原子和冷原子在量子干涉仪中均可实现原子干涉，但是因为冷原子的动量更小，相干长度更长，其测量灵敏度比热原子会高很多。因此，冷原子干涉技术成为主流应用，如量子陀螺仪、量子重力仪、量子加速度计等，已得到各国重视，被用于高灵敏导航系统等。

量子测量的第三个层次是基于量子纠缠进行量子测量，其技术条件最为严苛，同时也最接近量子的本质，其在理论上可以突破标准量子极限，无限接近海森堡极限，实现超高精度的测量。基于此原理，可将量子卫星定位系统用于高精度量子定位导航。只是基于量子纠缠的定位系统目前仍停留在理论阶段，主要应用仍是超冷原子技术。

总的来说，近年来不断突破的量子科技，正在开启新的机遇之门，加快量子科技的发展，对促进社会经济发展、保障国家安全，具有重要的作用。