潘建伟院士团队带你了解量子精密测量：测量精度突破经典技术极限
FUTURE | 远见 闵青云 选编
作者：卢征天 潘建伟
精密测量是科学研究的基础。可以说，整个现代自然科学和物质文明是伴随着测量精度的不断提升而发展的。以时间测量为例，从古代的日晷、水钟，到近代的机械钟，再到现代的石英钟、原子钟，随着时间测量的精度不断提升，通信、导航等技术才得以不断发展，不仅给社会生活带来极大的便利，也为新的科学发现提供了利器。因此，更高的测量精度一直是人类孜孜以求的目标。
随着量子力学基础研究的突破和实验技术的发展，人们不断提升对量子态进行操控和测量的能力，从而可以利用量子态进行信息处理、传递和传感。量子精密测量是利用量子力学规律，特别是基本量子体系的一致性，对一些关键物理量进行高精度与高灵敏度的测量。利用量子精密测量方法，人们在时间、频率、加速度、电磁场等物理量上可以获得前所未有的测量精度。正是由于量子调控与量子信息技术的发展，2018年第26届国际计量大会正式通过决议，从2019年开始实施新的国际单位定义，从实物计量标准转向量子计量标准，这标志着精密测量已经进入量子时代。
时间频率的精密测量
高精度时间频率的测量和应用支撑着相关科学研究的发展、经济社会的运行和国家安全系统的建设。高精度时频服务系统是国家战略资源。
原子钟所给出的频率和时间标准是目前测量精度最高的基本物理量。同时，原子钟精度的提高也带动其他基本物理量测量、物理常数定义和物理定律检验精度的提高，促进了新物理的发现和科学技术的进步。在微波段运行的原子钟已被广泛应用于导航、通信等领域。被广泛使用的卫星定位系统(例如我国的北斗导航系统、美国的全球卫星定位系统GPS等)中的每一颗卫星都载有多台微波段原子钟，通过对信号到达的时间做精确测量来给出用户定位信息。由于在导航系统中的关键作用，星载原子钟被喻为卫星导航系统的心脏。我国科学家正在积极发展下一代更高精度的星载微波段原子钟，2018年在国际上首次实现了利用激光冷却技术的空间冷原子钟。
由于量子精密测量方法上的突破，在光波段运行的原子钟(简称光钟)具有更高的精确度与稳定度，有望达到10-21量级(即万亿年的误差不超过1秒)。光钟技术在近20年来迅猛发展，例如，美国国家标准局研制的锶原子光钟，在不确定度上达到10-18量级、稳定度达到10-19量级，相比微波原子钟进步了至少两个数量级；我国科学家发展的钙离子光钟的不确定度与稳定度均进入10-18量级。同时，我国已布局发展空间光钟，目标是要在太空中把时间频率测量精度提高两个数量级。新一代时间测量与传递技术将为洲际光钟比对、国际「秒」定义的产生作出贡献，为未来引力波探测、暗物质探测等物理学基本原理检验提供新方法。同时，对光信号的高精度相位控制与测量，也会极大地提升未来星地一体量子通信网络的信息传递速度。
量子导航
惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，具有高隐蔽性、全时空间工作的优势，在国家安全等领域具有重要的应用价值。
根据公开报道的当前最好的经典惯性导航技术，水下航行100天之后的定位误差将达到100千米量级，还不足以支持长时间的完全自主导航。通过对原子的量子调控，基于原子自旋、冷原子干涉效应的量子陀螺仪和重力仪可实现超高灵敏度的惯性测量，有望达到水下航行100天之后的定位误差小于1千米，实现长时间完全自主导航。因此，基于量子陀螺仪和重力仪的导航系统，在长航时高精度自主导航、前沿物理等领域具有重要应用。此外，高精度的重力测量还可广泛应用于大地测量、资源勘探等领域。
目前，我国研究人员研制成功的原子自旋陀螺原理样机，指标与国外公开报道的最高指标相当；可移动原子重力仪精度已接近国际一流水平，小型移动式冷原子重力仪达到了目前国际上野外连续重力观测的最好水平，为实现高精度自主导航系统奠定了基础。
单量子灵敏探测
对单光子、单电子、单原子、单分子等量子系统的高灵敏度探测具有广泛的应用价值，成为近年来国际物理学研究的热点前沿领域。
单自旋探测技术在量子计算、生命科学、材料科学等领域有广泛应用。我国研究人员利用以金刚石NV色心为代表的固态单自旋体系实现了同时具有高空间分辨率与高灵敏度的磁场探测技术，在室温大气条件下获得了国际上首张单个蛋白质分子的磁共振谱，为研究单分子、单细胞层面的生物学问题提供了测量基础。该技术也可用于探索微观尺度的磁性质、磁结构等。
单原子探测技术在地球科学、环境监测等领域有广泛应用。我国研究人员发展了新一代激光原子阱单原子灵敏检测方法，可以一个一个地数出环境样品中所含的极微量同位素原子，包括空气中含量仅为百亿亿分之一的氪-81同位素。这一天然示踪剂被用来帮助了解全球与区域性水、冰循环过程，给百万年的古地下水与冰川定年，为气候变化研究、水资源管理提供关键数据。
分子包含电子运动、振动和转动等多个量子化自由度，单分子尺度的量子体系由于具有强烈的空间限域、结构对称性破缺和显著的分立能级结构，表现出十分丰富和新奇的量子效应。我国研究人员利用扫描电镜、原子力显微镜、拉曼光谱三种探测方法的联用，全面揭示了表面上单个分子的结构与变化，在单化学键精度上实现了单分子多重特异性的综合表征。
近年来，我国学者在量子精密测量方面不断追赶国际先进水平，技术突飞猛进，成果斐然。譬如，在原子钟、量子陀螺仪等方面的关键技术已经接近国际先进水平；在量子雷达、痕量原子示踪、弱磁场测量等方面已经达到国际先进水平，并取得了一批国际领先的成果。随着研究水平的不断提升和核心竞争力的进一步增强，我国量子精密测量领域将在科学研究、经济生活和国家安全等重大战略需求中发挥重要作用。
(文章刊载于《学习时报》2022年2月16日第6版)
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