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标题: 从经典丈量到量子丈量，精度正跃升 [打印本页]

作者: 乐可糖无 时间: 2023-2-18 04:40
标题: 从经典丈量到量子丈量，精度正跃升

图片来源@视觉中国

文 | 根新未来

门捷列夫曾经说过“没有丈量，就没有科学”。
在丈量的同时，现代工业和现代国防还对丈量提出了更加“精密”的要求，毕竟，丈量越精密，带来的信息就可以越准确。现实上，整个现代天然科学和物质文明就是伴随着丈量精度的不断提升而发展的。以时间丈量为例，从古代的日晷、水钟，到近代的机器钟，再到现代的石英钟、原子钟，时间丈量的精度不断提升，通信、导航等技术才得以不断发展。
在对更高精度丈量的追求下，近年来，随着量子技术的进步和第二次量子革命的到来，利用量子精密丈量技术实现的精密仪器，正在使物理量的丈量达到前所未有的极限精度。量子精密丈量有望引领新一代传感器的变革，让我们从亘古未有的精度对物质举行丈量。

从经典丈量到量子丈量

在经典力学的天下里，也就是在非量子物理学中，“丈量”被定义为一种获取一个物理体系中某些属性干系信息的行为，无论这一体系是物质的还是非物质的。获取的信息则包罗速率、位置、能量、温度、音量、方向等等。
这种对丈量的定义，一方面会让人以为一个物理体系自身所具有的每一个属性都有一个确定的值，甚至是一个注定的值，在丈量开始前就已确定。另一方面，这种如此直观和天然的定义也会让人们以为所有属性都是可以丈量的，且获得的信息都无一例外忠实地反映了被丈量的属性，不受丈量工具和丈量者的影响。
也就是说，在经典力学的天下里，物体的状态是可以被丈量的，而且丈量行为对被测对象的干扰可以忽略不计。然而，在持续了很多个世纪以后，这种对于丈量的熟悉却因为20世纪初量子力学以及相对论的诞生彻底发生了改变。
量子力学革命性的新理论颠覆了物理学上齐备在以往看来是确定且不变的东西：时间和空间的本质，同时性、同一性、局域性的概念，甚至是带有很大直觉性色彩的实在性的概念。固然，这也带来了丈量的变革。
在量子层面，对一个物理量举行观察或丈量，得到的结果是随机的，物体的状态也会在丈量时突然改变。人们能够知道且可以肯定的，是这些结果会出现的概率。这有点像摇彩票用的箱子里装的小球，每一个球被摇出来都是随机的，且摇到每个球的概率是完全相同的。
这些概率与研究对象波的一面直接干系。而所谓“波”，就是薛定谔在德布罗意的研究基础上提出来的波——任何物体（无论是物质的还是非物质的）都有与之干系的波。这是一种数学上的波，也叫波函数——波函数也是描述量子态的函数。如果我们要丈量位置信息，那么在把握了波在某一处的强度后，我们就能通过得当的丈量得出物体在这一处出现的概率。
因此，一个物理体系的薛定谔波就可以看作一个量子态的特殊呈现。这种特殊呈现取决于体系中每个组成部门的位置（量子态的位置表征）。
量子物理学以为，任何一个量子态都可以用某些特殊的状态来表现。这些特殊状态叫本征态，与所举行的丈量操作直接干系。这些丈量本征态的定义也非常简单：能得出确定的丈量结果的所有状态都是本征态。
而且，由于波函数的坍缩，即在丈量之后，被丈量的物理体系会瞬间坍缩至与丈量结果相对应的本征量子态。因此，颠末丈量之后，体系的量子态就可以被很好地确定下来并能被人们准确地获知。
基于此，通过对量子态举行操控和丈量，对原子、离子、光子等微观粒子的量子态举行制备、操控、丈量和读取，共同数据处置惩罚与转换，人类在精密丈量范畴得以跃迁至一个全新的阶段，实现对角速率、重力场、磁场、频率等物理量的超高精度精密探测。

引领一代传感器的变革

我们已经知道，量子丈量就是使人们可通过操作微观粒子（如光子、原子、离子等），分析待测物理量变化导致的量子态改变来实现的精密丈量。量子丈量不仅使人类在丈量精度上得以飞跃，更有望引领一代传感器的变革，毕竟，量子精密丈量还需要通过工具来实现，而量子丈量的实用化产品就是量子传感器。
比如，在时间丈量方面，按照原子跃迁能级谱线对应的频段，科学家们发明确原子钟。玻尔的原子理论以为，原子从一个“能量态”跃迁至低的“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。1967年，国际计量大会对“秒”做出了重新定义：铯原子中电子能级跃迁周期的9192631770倍为1秒。这是量子理论在丈量标题上的第一个重大贡献。
当前，我们熟悉的北斗导航卫星，就是应用原子钟实现了精准导航。从100万年误差1秒，到500万年误差1秒，再到37亿年误差1秒随着量子精密丈量技术的快速发展，基于量子精密丈量的陀螺及惯性导航体系具有高精度、小体积、低成本等优势，将对无缝定位导航范畴提供颠覆性新技术。在这场追求更高精度的科技比赛中，天下各国科学家研发的原子钟还在不断革新着科学的极限。
别的，基于量子干系性的丈量技术，即利用量子的物质波特性，通过干涉法举行外部物理量的丈量，科学家们得以开发出具有高精度的陀螺仪、重力仪、重力梯度仪等。此中，基于原子干涉技术蹊径的量子重力仪则是现在发展最为成熟的。它可以和重力梯度仪一同使用，举行探测地下结构、车辆查抄、隧道检测、地球科学研究，量子重力仪的使用有望降低土木工程和地质调查的成本，并能够作为一种基础物理应用检测的可能替代方法。
现在，美国、法国等少数几个国家已办理了冷原子干涉体系的恒久稳固性和集成标题，正着力于攻克高动态范围和微小型化等应用困难，产品进入实用化阶段。中国的华中科技大学也已经于2021年将研制的实用化高精度铷原子绝对重力仪交付中国地震局地震研究所，这是我国首台为行业部门研制的量子重力仪，同时也意味着中国量子重力仪研究进入国际第一梯队。
量子丈量在康健范畴也展现出极大的发展潜力。原子磁力计现在实用化方向主要就是生物医学范畴，比如，神经功能研究，并为相识和治疗阿尔茨海默病、帕金森病等提供了更全面的支撑。
当前，医院使用的脑磁图（MEG）诊断方式是通过SQUID获得磁场数据，设备占地面积大、代价昂贵、需液氦制冷、维护成本高，倒霉于大规模推广应用。而无自旋交换弛豫（SERF）磁力计、光泵磁力计（OPM）则实现了磁力丈量设备的小型化。SERF原子磁力计具有对低频信号敏感、室温运行、功耗低、小型化、可穿戴等长处，分辨率也与SQUID靠近或逾越，适合大规模推广应用。至于OPM磁力计，2021年，诺丁汉大学与Magnetic Shields公司合作设立的Cerca Magnetics公司，就推出了新型的可穿戴式脑磁图扫描仪（OPM+MEG）。
不仅如此，由于量子丈量极高的敏捷度，在保持目标检测本事不变的前提下，量子丈量所需的发射功率更低。如许有利于设备的小型化，在载荷有限的平台上装配具有较大优势。如果采用量子元器件更换普通电子元件，丈量设备的体积可以减少一半甚至更多。
别的，相比经典丈量，基于量子态的丈量表征了量子的微观特性，可以提取更多维度的目标信息。除了宏观的空间、时间和频域特征外，量子丈量可利用的信息资源更为丰富，如光子的偏振、纠缠等，这些信息更是提升目标丈量的维度，增强了目标识别本事。

精度的跃升

自古即今，人类已经走过来几千年的计量史。人类的先祖为了将大天然里“不可数”的事物转化为“可数”，发明确“单位”，这个转化的过程就是“丈量”。后来，人类进入了农耕文明，在农业社会空前的文明规模下，人类将原始单位发展成了完备的“度量衡”制度，这三者构成了文明社会的根基。固然，古代计量制度最大的缺陷就是不准确。
以时间的丈量为例，时间是人类能够打仗到的物理量中的一个很难测准的量，但与此同时，地球自转造成的昼夜变化，又是对全天下人类来说一个颇为抱负的同等度量。以是，时间可以作为所有丈量的基准——时间可以导出长度，长度导出质量，长度和质量再导出万千天下的所有单位。
只管古人很难测准时间，但到了机器钟表的时代，人类已经可以用最精密的齿轮传动机器，将钟表上的“秒”与地球一个昼夜周期的1/86400对准到了极致。计时精度到了“每年误差仅1秒”这个量级，也就超过了地球自身拥有的最大基准——地球公转周期“一年”。
但没过多久，20世纪中叶出现的石英钟又带来了新一波精度的革命。石英钟以其简单的技术和低廉的成本，给人类计时的精度带来了颠覆性的突破，此时计时工具的误差区间甚至远远逾越了人类的寿命，每千年才误差近1秒。很快，人类又进一步发明确原子钟，它的精度更是来到了讨论地球年事时才用到的范围——每万万年甚至每亿年误差1秒。
时间丈量精度的进步，从根本上来说，则是因为人们对于丈量的熟悉变化。从摆钟开始，人类丈量时间的原理其实就成了“数数”，确切说，是“数一个往复活动的周期数”——在一段预先设定的时间如1秒内一个稳固的往复活动循环的次数，在物理学上被称为“频率”。
因此，为了提高通过“数数”得到的“秒”的精度，我们只需要找到一个在1秒的时间内能往复更多次（频率更大）的活动情势，并让信号吸取装置把活动的每一个循环都标志成数量。而在用传统的丈量工具，比如尺子和天平时，看刻度或判断秤盘是否均衡这种主观判断，正是制约丈量精度的最大瓶颈。
现在的国际单位制中，“秒”的定义用到的“铯频率”在109赫兹（GHz）的量级，也就是1秒内要数10亿次数——这对于古人来说，险些是不可想象的。
现在，量子精密丈量技术覆盖范围已经非常广泛，涉及国际单位制中的七个根本单位，除了时间单位外，另有长度、电流、温度、质量等根本单位基准的研制和精度提升；也涉及大量导出单位的准确丈量，包罗惯性、磁性、重力等量值的准确丈量，以及基于量子技术的仪器研制及方法提升。
固然，量子精密丈量技术也涵盖利用这些超精密仪器和技术对物理学根本规律检验和对根本物理常数准确测定等研究。
精度的跃迁背后，也留下了人类文明发展的陈迹，现在，天下上多个国家的研究机构和科技巨头们都在开展量子丈量技术的工程化、小型化应用研究。可以预见，未来，量子丈量技术还将会在通信、能源、航空等诸多范畴发挥越来越重要的作用，并引领一代传感器的革命。

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