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钛媒体 09-24

从经典测量到量子测量,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 " 没有测量,就没有科学 "。

在测量的同时,现代工业和现代国防还对测量提出了更加 " 精密 " 的要求,毕竟,测量越精密,带来的信息就可以越精确。实际上,整个现代自然科学和物质文明就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,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。

在对更高精度测量的追求下,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测量技术实现的精密仪器正在使物理量的测量达到前所未有的极限精度。量子精密测量有望引领新一代传感器的变革,让我们以前所未有的精度对物质进行测量。

从经典测量到量子测量

在经典力学的世界里,也就是在非量子物理学中," 测量 " 被定义为一种获取一个物理系统中某些属性相关信息的行为,无论这一系统是物质的还是非物质的。获取的信息则包括速度、位置、能量、温度、音量、方向等等。

这种对测量的定义,一方面会让人认为一个物理系统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,在测量开始前就已确定。另一方面,这种如此直观和自然的定义也会让人们觉得所有属性都是可以测量的,且获得的信息都无一例外忠实地反映了被测量的属性,不受测量工具和测量者的影响。

也就是说,在经典力学的世界里,物体的状态是可以被测量的,并且测量行为对被测对象的干扰可以忽略不计。然而,在持续了许多个世纪以后,这种对于测量的认识却因为 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一切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。当然,这也带来了测量的变革

在量子层面,对一个物理量进行观察或测量,得到的结果是随机的,物体的状态也会在测量时突然改变。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相关。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)都有与之相关的波。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。如果我们要测量位置信息,那么在掌握了波在某一处的强度后,我们就能通过适当的测量得出物体在这一处出现的概率。

因此,一个物理系统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系统中每个组成部分的位置(量子态的位置表征)。

量子物理学认为,任何一个量子态都可以用某些特殊的状态来表示。这些特殊状态叫本征态,与所进行的测量操作直接相关。这些测量本征态的定义也非常简单:能得出确定的测量结果的所有状态都是本征态。

并且,由于波函数的坍缩,即在测量之后,被测量的物理系统会瞬间坍缩至与测量结果相对应的本征量子态。因此,经过测量之后,系统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,通过对量子态进行操控和测量,对原子、离子、光子等微观粒子的量子态进行制备、操控、测量和读取,配合数据处理与转换,人类在精密测量领域得以跃迁至一个全新的阶段,实现对角速度、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,量子测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测量。量子测量不仅使人类在测量精度上得以飞跃,更有望引领一代传感器的变革,毕竟,量子精密测量还需要通过工具来实现,而量子测量的实用化产品是量子传感器

比如,在时间测量方面,按照原子跃迁能级谱线对应的频段,科学家们发明了原子钟。玻尔的原子理论认为,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。这是量子理论在测量问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 秒随着量子精密测量技术的快速发展,基于量子精密测量的陀螺及惯性导航系统具有高精度、小体积、低成本等优势,将对无缝定位导航领域提供颠覆性新技术。在这场追求更高精度的科技竞赛中,世界各国科学家研发的原子钟还在不断刷新着科学的极限。

另外,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。其中,基于原子干涉技术路线的量子重力仪则是目前发展最为成熟的。它可以和重力梯度仪一同使用,进行探测地下结构、车辆检查、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。

目前,美国、法国等少数几个国家已解决了冷原子干涉系统的长期稳定性和集成问题,正着力于攻克高动态范围和微小型化等应用难题,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。

量子测量在健康领域也展现出极大的发展潜力。原子磁力计目前实用化方向主要就是生物医学领域,比如,神经功能研究,为了解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、价格昂贵、需液氦制冷、维护成本高,不利于大规模推广应用。而无自旋交换弛豫(SERF)磁力计、光泵磁力计(OPM)则实现了磁力测量设备的小型化。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、可穿戴等优点,分辨率也与 SQUID 接近或超越,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,由于量子测量极高的灵敏度,在保持目标检测能力不变的前提下,量子测量所需的发射功率更低。这样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替换普通电子元件,测量设备的体积可以减少一半甚至更多。

另外,相比经典测量,基于量子态的测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,量子测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测量的维度,增强了目标识别能力。

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自然里 " 不可数 " 的事物转化为 " 可数 ",发明了 " 单位 ",这个转化的过程就是 " 测量 "。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整的 " 度量衡 " 制度,这三者构成了文明社会的根基。当然,古代计量制度最大的缺陷就是不精确。

以时间的测量为例,时间是人类能够接触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,又是对全世界人类来说一个颇为理想的平等度量。所以,时间可以作为所有测量的基准——时间可以导出长度,长度导出质量,长度和质量再导出万千世界的所有单位。

尽管古人很难测准时间,但到了机械钟表的时代,人类已经可以用最精密的齿轮传动机械,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超越了人类的寿命,每千年才误差近 1 秒。很快,人类又进一步发明了原子钟,它的精度更是来到了讨论地球年龄时才用到的范围——每千万年甚至每亿年误差 1 秒。

时间测量精度的进步,从根本上来说,则是因为人们对于测量的认识变化。从摆钟开始,人类测量时间的原理其实就成了 " 数数 ",确切说,是 " 数一个往复运动的周期数 " ——在一段预先设定的时间如 1 秒内一个稳定的往复运动循环的次数,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)的运动形式,并让信号接收装置把运动的每一个循环都标记成数目。而在用传统的测量工具,比如尺子和天平时,看刻度或判断秤盘是否平衡这种主观判断,正是制约测量精度的最大瓶颈。

目前的国际单位制中," 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,几乎是不可想象的。

如今,量子精密测量技术覆盖范围已经非常广泛,涉及国际单位制中的七个基本单位,除了时间单位外,还有长度、电流、温度、质量等基本单位基准的研制和精度提升;也涉及大量导出单位的精确测量,包括惯性、磁性、重力等量值的精确测量,以及基于量子技术的仪器研制及方法提升。

当然,量子精密测量技术也涵盖利用这些超精密仪器和技术对物理学基本规律检验和对基本物理常数精确测定等研究。

精度的跃迁背后,也留下了人类文明发展的痕迹,目前,世界上多个国家的研究机构和科技巨头们都在开展量子测量技术的工程化、小型化应用研究。可以预见,未来,量子测量技术还将会在通信、能源、航空等诸多领域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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