文｜觀察未來科技
門捷列夫曾經(jīng)說過“沒有測(cè)量，就沒有科學(xué)”。
在測(cè)量的同時(shí)，現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代國(guó)防還對(duì)測(cè)量提出了更加“精密”的要求，畢竟，測(cè)量越精密，帶來的信息就可以越精確。實(shí)際上，整個(gè)現(xiàn)代自然科學(xué)和物質(zhì)文明就是伴隨著測(cè)量精度的不斷提升而發(fā)展的。以時(shí)間測(cè)量為例，從古代的日晷、水鐘，到近代的機(jī)械鐘，再到現(xiàn)代的石英鐘、原子鐘，時(shí)間測(cè)量的精度不斷提升，通信、導(dǎo)航等技術(shù)才得以不斷發(fā)展。
在對(duì)更高精度測(cè)量的追求下，近年來，隨著量子技術(shù)的進(jìn)步和第二次量子革命的到來，利用量子精密測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)的精密儀器，正在使物理量的測(cè)量達(dá)到前所未有的極限精度。量子精密測(cè)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(duì)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。
從經(jīng)典測(cè)量到量子測(cè)量
在經(jīng)典力學(xué)的世界里，也就是在非量子物理學(xué)中，“測(cè)量”被定義為一種獲取一個(gè)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(duì)測(cè)量的定義，一方面會(huì)讓人認(rèn)為一個(gè)物理系統(tǒng)自身所具有的每一個(gè)屬性都有一個(gè)確定的值，甚至是一個(gè)注定的值，在測(cè)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(huì)讓人們覺得所有屬性都是可以測(cè)量的，且獲得的信息都無一例外忠實(shí)地反映了被測(cè)量的屬性，不受測(cè)量工具和測(cè)量者的影響。
也就是說，在經(jīng)典力學(xué)的世界里，物體的狀態(tài)是可以被測(cè)量的，并且測(cè)量行為對(duì)被測(cè)對(duì)象的干擾可以忽略不計(jì)。然而，在持續(xù)了許多個(gè)世紀(jì)以后，這種對(duì)于測(cè)量的認(rèn)識(shí)卻因?yàn)?0世紀(jì)初量子力學(xué)以及相對(duì)論的誕生徹底發(fā)生了改變。
量子力學(xué)革命性的新理論顛覆了物理學(xué)上一切在以往看來是確定且不變的東西：時(shí)間和空間的本質(zhì)，同時(shí)性、同一性、局域性的概念，甚至是帶有很大直覺性色彩的實(shí)在性的概念。當(dāng)然，這也帶來了測(cè)量的變革。
在量子層面，對(duì)一個(gè)物理量進(jìn)行觀察或測(cè)量，得到的結(jié)果是隨機(jī)的，物體的狀態(tài)也會(huì)在測(cè)量時(shí)突然改變。人們能夠知道且可以肯定的，是這些結(jié)果會(huì)出現(xiàn)的概率。這有點(diǎn)像搖彩票用的箱子里裝的小球，每一個(gè)球被搖出來都是隨機(jī)的，且搖到每個(gè)球的概率是完全相同的。
這些概率與研究對(duì)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(chǔ)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(xué)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(cè)量位置信息，那么在掌握了波在某一處的強(qiáng)度后，我們就能通過適當(dāng)?shù)臏y(cè)量得出物體在這一處出現(xiàn)的概率。
因此，一個(gè)物理系統(tǒng)的薛定諤波就可以看作一個(gè)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(gè)組成部分的位置（量子態(tài)的位置表征）。
量子物理學(xué)認(rèn)為，任何一個(gè)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(jìn)行的測(cè)量操作直接相關(guān)。這些測(cè)量本征態(tài)的定義也非常簡(jiǎn)單：能得出確定的測(cè)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(cè)量之后，被測(cè)量的物理系統(tǒng)會(huì)瞬間坍縮至與測(cè)量結(jié)果相對(duì)應(yīng)的本征量子態(tài)。因此，經(jīng)過測(cè)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(zhǔn)確地獲知。
基于此，通過對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控和測(cè)量，對(duì)原子、離子、光子等微觀粒子的量子態(tài)進(jìn)行制備、操控、測(cè)量和讀取，配合數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換，人類在精密測(cè)量領(lǐng)域得以躍遷至一個(gè)全新的階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度、重力場(chǎng)、磁場(chǎng)、頻率等物理量的超高精度精密探測(cè)。
引領(lǐng)一代傳感器的變革
我們已經(jīng)知道，量子測(cè)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(cè)物理量變化導(dǎo)致的量子態(tài)改變來實(shí)現(xiàn)的精密測(cè)量。量子測(cè)量不僅使人類在測(cè)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(cè)量還需要通過工具來實(shí)現(xiàn)，而量子測(cè)量的實(shí)用化產(chǎn)品就是量子傳感器。
比如，在時(shí)間測(cè)量方面，按照原子躍遷能級(jí)譜線對(duì)應(yīng)的頻段，科學(xué)家們發(fā)明了原子鐘。玻爾的原子理論認(rèn)為，原子從一個(gè)“能量態(tài)”躍遷至低的“能量態(tài)”時(shí)便會(huì)釋放電磁波，這種電磁波特征頻率是不連續(xù)的。1967年，國(guó)際計(jì)量大會(huì)對(duì)“秒”做出了重新定義：銫原子中電子能級(jí)躍遷周期的9192631770倍為1秒。這是量子理論在測(cè)量問題上的第一個(gè)重大貢獻(xiàn)。
當(dāng)前，我們熟悉的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，就是應(yīng)用原子鐘實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)導(dǎo)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(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，基于量子精密測(cè)量的陀螺及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有高精度、小體積、低成本等優(yōu)勢(shì)，將對(duì)無縫定位導(dǎo)航領(lǐng)域提供顛覆性新技術(shù)。在這場(chǎng)追求更高精度的科技競(jìng)賽中，世界各國(guó)科學(xué)家研發(fā)的原子鐘還在不斷刷新著科學(xué)的極限。
另外，基于量子相干性的測(cè)量技術(shù)，即利用量子的物質(zhì)波特性，通過干涉法進(jìn)行外部物理量的測(cè)量，科學(xué)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(jìn)行探測(cè)地下結(jié)構(gòu)、車輛檢查、隧道檢測(cè)、地球科學(xué)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(chǔ)物理應(yīng)用檢測(cè)的可能替代方法。
目前，美國(guó)、法國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家已解決了冷原子干涉系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和集成問題，正著力于攻克高動(dòng)態(tài)范圍和微小型化等應(yīng)用難題，產(chǎn)品進(jìn)入實(shí)用化階段。中國(guó)的華中科技大學(xué)也已經(jīng)于2021年將研制的實(shí)用化高精度銣原子絕對(duì)重力儀交付中國(guó)地震局地震研究所，這是我國(guó)首臺(tái)為行業(yè)部門研制的量子重力儀，同時(shí)也意味著中國(guó)量子重力儀研究進(jìn)入國(guó)際第一梯隊(duì)。
量子測(cè)量在健康領(lǐng)域也展現(xiàn)出極大的發(fā)展?jié)摿?。原子磁力?jì)目前實(shí)用化方向主要就是生物醫(yī)學(xué)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(dāng)前，醫(yī)院使用的腦磁圖（MEG）診斷方式是通過SQUID獲得磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，設(shè)備占地面積大、價(jià)格昂貴、需液氦制冷、維護(hù)成本高，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。而無自旋交換弛豫（SERF）磁力計(jì)、光泵磁力計(jì)（OPM）則實(shí)現(xiàn)了磁力測(cè)量設(shè)備的小型化。SERF原子磁力計(jì)具有對(duì)低頻信號(hào)敏感、室溫運(yùn)行、功耗低、小型化、可穿戴等優(yōu)點(diǎn)，分辨率也與SQUID接近或超越，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。至于OPM磁力計(jì)，2021年，諾丁漢大學(xué)與Magnetic Shields公司合作設(shè)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(cè)量極高的靈敏度，在保持目標(biāo)檢測(cè)能力不變的前提下，量子測(cè)量所需的發(fā)射功率更低。這樣有利于設(shè)備的小型化，在載荷有限的平臺(tái)上裝配具有較大優(yōu)勢(shì)。如果采用量子元器件替換普通電子元件，測(cè)量設(shè)備的體積可以減少一半甚至更多。
另外，相比經(jīng)典測(cè)量，基于量子態(tài)的測(cè)量表征了量子的微觀特性，可以提取更多維度的目標(biāo)信息。除了宏觀的空間、時(shí)間和頻域特征外，量子測(cè)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(biāo)測(cè)量的維度，增強(qiáng)了目標(biāo)識(shí)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(jì)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(gè)轉(zhuǎn)化的過程就是“測(cè)量”。后來，人類進(jìn)入了農(nóng)耕文明，在農(nóng)業(yè)社會(huì)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(huì)的根基。當(dāng)然，古代計(jì)量制度最大的缺陷就是不精確。
以時(shí)間的測(cè)量為例，時(shí)間是人類能夠接觸到的物理量中的一個(gè)很難測(cè)準(zhǔn)的量，但與此同時(shí)，地球自轉(zhuǎn)造成的晝夜變化，又是對(duì)全世界人類來說一個(gè)頗為理想的平等度量。所以，時(shí)間可以作為所有測(cè)量的基準(zhǔn)——時(shí)間可以導(dǎo)出長(zhǎng)度，長(zhǎng)度導(dǎo)出質(zhì)量，長(zhǎng)度和質(zhì)量再導(dǎo)出萬千世界的所有單位。
盡管古人很難測(cè)準(zhǔn)時(shí)間，但到了機(jī)械鐘表的時(shí)代，人類已經(jīng)可以用最精密的齒輪傳動(dòng)機(jī)械，將鐘表上的“秒”與地球一個(gè)晝夜周期的1/86400對(duì)準(zhǔn)到了極致。計(jì)時(shí)精度到了“每年誤差僅1秒”這個(gè)量級(jí)，也就超過了地球自身擁有的最大基準(zhǔn)——地球公轉(zhuǎn)周期“一年”。
但沒過多久，20世紀(jì)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(jiǎn)單的技術(shù)和低廉的成本，給人類計(jì)時(shí)的精度帶來了顛覆性的突破，此時(shí)計(jì)時(shí)工具的誤差區(qū)間甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了人類的壽命，每千年才誤差近1秒。很快，人類又進(jìn)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(shí)才用到的范圍——每千萬年甚至每?jī)|年誤差1秒。
時(shí)間測(cè)量精度的進(jìn)步，從根本上來說，則是因?yàn)槿藗儗?duì)于測(cè)量的認(rèn)識(shí)變化。從擺鐘開始，人類測(cè)量時(shí)間的原理其實(shí)就成了“數(shù)數(shù)”，確切說，是“數(shù)一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的周期數(shù)”——在一段預(yù)先設(shè)定的時(shí)間如1秒內(nèi)一個(gè)穩(wěn)定的往復(fù)運(yùn)動(dòng)循環(huán)的次數(shù)，在物理學(xué)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(gè)在1秒的時(shí)間內(nèi)能往復(fù)更多次（頻率更大）的運(yùn)動(dòng)形式，并讓信號(hào)接收裝置把運(yùn)動(dòng)的每一個(gè)循環(huán)都標(biāo)記成數(shù)目。而在用傳統(tǒng)的測(cè)量工具，比如尺子和天平時(shí)，看刻度或判斷秤盤是否平衡這種主觀判斷，正是制約測(cè)量精度的最大瓶頸。
目前的國(guó)際單位制中，“秒”的定義用到的“銫頻率”在109赫茲（GHz）的量級(jí)，也就是1秒內(nèi)要數(shù)10億次數(shù)——這對(duì)于古人來說，幾乎是不可想象的。
如今，量子精密測(cè)量技術(shù)覆蓋范圍已經(jīng)非常廣泛，涉及國(guó)際單位制中的七個(gè)基本單位，除了時(shí)間單位外，還有長(zhǎng)度、電流、溫度、質(zhì)量等基本單位基準(zhǔn)的研制和精度提升；也涉及大量導(dǎo)出單位的精確測(cè)量，包括慣性、磁性、重力等量值的精確測(cè)量，以及基于量子技術(shù)的儀器研制及方法提升。
當(dāng)然，量子精密測(cè)量技術(shù)也涵蓋利用這些超精密儀器和技術(shù)對(duì)物理學(xué)基本規(guī)律檢驗(yàn)和對(duì)基本物理常數(shù)精確測(cè)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(gè)國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)和科技巨頭們都在開展量子測(cè)量技術(shù)的工程化、小型化應(yīng)用研究。可以預(yù)見，未來，量子測(cè)量技術(shù)還將會(huì)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。