量子技术重新定义精密测量？

出品  光子盒研究院

导读：不只是计算和通信，量子技术也早已应用到了精密测量领域。近期复旦大学研究团队在突破标准量子极限的精密测量研究中取得系列重要进展。实现了迄今含原子数（千亿个）最多的原子自旋压缩以及突破标准量子极限的高灵敏度原子磁力计。实际上，这仅仅是量子精密测量的众多应用之一，而今天的文章将首次展现量子精密测量的全貌。

1927年，海森堡提出了量子力学中著名的不确定性原理。他认为，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。

不确定性原理告诉我们：在微观世界中，一旦发生测量就会导致波函数坍缩，电子（或其他粒子）就会从叠加态变成本征态。

在量子计算、量子通信等领域，量子的不确定性被视作缺点。量子测量恰恰利用量子体系的这一“缺点”，使量子体系与待测物理量相互作用，从而引发量子态的改变来对物理量进行测量。

与经典物理中的测量不同，量子测量不是独立于所观测的物理系统而单独存在的，测量本身即是物理系统的一部分，所作的测量会对系统的状态产生干扰。经典测量和量子测量本质上是两种不同的哲学，但我们不纠结于此。理论上说，量子测量的精度远超经典测量。

实际上，我们对任何物理量的测量都会伴随着噪声，包括系统的经典噪声和量子噪声，这些噪声限制了测量精度。

经典噪声主要来源于技术缺陷、仪器不理想等因素，随着科学技术的发展，系统的经典噪声大大降低，常常可以忽略不计。因此，由量子力学性质决定的量子噪声逐渐成为主要的噪声来源。

经典测量所能达到的最小噪声一般称为散粒噪声, 对应着测量的标准量子极限。一个物理量的测量精度正比于1/√N（N即单次测量所使用的光子或原子等的数目）。

近年来量子技术的发展，人们利用量子相干、量子纠缠、量子统计等特性可以突破标准量子极限，从而实现更高精度的测量。同时由于量子力学测不准原理的限制，测量精度也不可能无限制地提高，这个最终的极限被称为海森堡极限。

海森堡极限精度正比于1/N，原则上来说，在N很大的时候，海森堡极限的测量精度可以远远高于经典测量方法。设计一种可实际应用的并且达到海森堡极限的量子精密测量技术是学术界长期以来努力的方向。

量子测量的三个层次

按照对量子特性的应用，量子测量分为三个层次，第一层次是基于微观粒子能级测量；第二层次是基于量子相干性测量；第三层次是基于量子纠缠进行测量，突破经典的理论极限。

第一层次从上世纪50年代就逐步在原子钟等领域开始应用。根据玻尔的原子理论，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。

电子能级跃迁

当原子从一个“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，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的——例如铯133的共振频率为每秒9192631770Hz。铯原子便可用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

上世纪30年代，哥伦比亚大学的拉比（Rabi）发明了一种被称为磁共振的技术，依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率。他提出这样一个想法，这些共振频率的准确性如此之高，完全可以用来制作高精度的时钟。

在拉比设想的时钟里，处于某一特定的超精细态的一束原子穿过一个振动电磁场，场的振动频率与原子超精细跃迁频率越接近，原子从电磁场吸收的能量就会越多，因此而经历从原先的超精细态到另一态的跃迁。原子钟就是利用振动场的频率作为节拍器来产生时间脉冲。

但在很长一段时间里，原子钟的实用性不强，直到上世纪50年代扎卡来亚斯（J. Zacharias）使得原子钟成为一个更为实用的仪器。1954年，他与美国Malden公司一起建造了以他发明的便携式仪器为基础的商用原子钟。如今用于GPS的铯原子钟都是这种原子钟的后代。

1967年，国际计量大会依据铯原子的振动而对秒做出了重新定义，即铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9192631770个周期的持续时间。这是量子理论在测量问题上的第一个重大贡献。

同样基于微观粒子能级测量，近些年随着量子态操控技术研究的不断深入，基于自旋量子位的测量系统开始成为研究热点，通过外部物理量改变能级结构，通过探测吸收或发射频谱对外部物理量进行测量。

在量子力学中，自旋是粒子所具有的内禀性质，并因此产生一个磁场。磁场变化会导致自旋量子位的能级结构变化，从而改变辐射或吸收频谱，通过对谱线的精密测量就可以完成磁场测量。另外，自旋量子位的能级结构还与温度、应力有关，利用类似原理实现温度、应力的精密测量。

金刚石氮位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心是一种近年来备受关注的自旋量子位，可实现对多种物理量的超高灵敏度检测，广泛地应用于磁场、加速度、角速度、温度、压力的精密测量领域，具有巨大的潜力。

所谓的NV色心，实际上是金刚石中的一种发光点缺陷。这些缺陷包括金刚石有序的碳原子晶格中两个相邻碳原子缺失的位置，其中一个被一个氮原子取代，另一个则是空的。结构中缺少键，电子对周围环境的微小变化非常敏感，无论是电、磁还是光。

NV色心

目前金刚石色心测量系统已实现芯片化，基于金刚石色心的芯片级陀螺仪、磁力计、磁成像装置均有报道。

2019年，麻省理工学院首次在硅芯片上制造了基于金刚石色心的量子传感器，实现对磁场的精密测量。传统的基于NV的量子传感器体积庞大，还配备了昂贵的分立元器件，限制其实用性和可扩展性。不过，MIT研发出一种新型芯片架构，采用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)技术，器件结构紧凑，功耗较低。

NV色心量子测量还能实现纳米级的空间分辨率。2019年中科大首次实现基于金刚石色心的50纳米空间分辨力高精度多功能量子传感，可应用于微纳电磁场及光电子芯片检测。

量子测量第二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量。技术相对成熟，精度较高，广泛应用于陀螺仪、重力仪、重力梯度仪等领域。

在经典物理中，干涉（interference）是宏观波动叠加而产生的现象，描述的是振动能量在叠加区域的分布情况。而量子干涉描述的是，同一量子系统若干个不同态叠加为一个纯态的情况。

人们利用超导量子干涉现象制成的超导量子干涉仪(简称SQUID)，在实际应用中具有很高的灵敏度，可用于军事、医学、地学、地球物理、空间物理等各个领域。

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。

因此冷原子是量子干涉仪提高灵敏度的关键所在，其中一个重要部分是激光冷却原子，它的基本原理是：正在行进中的原子被迎面而来的激光照射，激光频率和原子频振一致，原子就会吸收迎面而来的光子受激跃迁到高能态，因而减小动量。

目前，冷原子干涉技术已经应用于量子陀螺仪、量子重力仪、量子加速度计等。冷原子干涉量子陀螺仪由于其超高精度和超高分辨率的优异特性受到各国重视，可以应用于高灵敏导航系统等。

早在2003年，美国DARPA就制定了高精度惯性导航系统（PINS）计划，同年欧洲空间局也制定了空间中的高精度冷原子干涉测量技术（HYPER）计划。PINS计划目标是实现定位精度在5米/小时、不依靠GPS的高精度军用惯性导航系统，其中关键就是量子陀螺仪。

上述基于量子能级和相干性的测量技术并没有充分利用量子的纠缠、压缩等独特性质，目前技术较成熟，涉及面宽，涵盖了大部分量子测量场景，部分领域已经实现产品化。

量子测量的最后一个层次——基于量子纠缠的测量技术条件最为严苛，同时也最接近量子的本质，测量精度理论上可以突破标准量子极限，达到海森堡极限，实现超高精度的测量。

人们利用量子纠缠的非定域性可以实现距离的精确测量，一对纠缠光子包含信号光子和闲置光子，将信号光子发往距离未知的待测位置，闲置光子发送到位置固定的光电探测器，分别记录光子的量子态和到达时间，并通过经典信道进行信息交互，通过联合测量两地到达时间 可以计算出距离。

如果采用三组基点对统一位置进行测量，就可以在三维空间中唯一确定待测点的位置，基于此原理即可实现量子卫星定位系统用于高精度量子定位导航。不过基于量子纠缠的定位系统还停留在理论阶段，目前主要利用的是超冷原子技术。

如果距离是已知参数，根据此原理还可用于测量两地的时钟差，进而实现两地的高精度时钟同步，此原理被应用在量子时间同步协议中。

此外，量子纠缠特性还可应用于量子目标识别领域。干涉式量子雷达使用非经典源（纠缠态或压缩态）照射目标区域，在接收端进行经典的干涉仪原理进行检测，通过利用光源的量子特性，可以使雷达系统的距离分辨能力和角分辨能力突破经典极限。

但是基于量子纠缠的量子测量技术研究还比较少，因受制于量子纠缠态的制备和操控等关键技术的限制，目前仅停留在实验室研究阶段，距离产业化和实用化较远。

但好消息是在实验室已经实现了海森堡极限精度。2018年，郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研究组把探针光子的利用率提升到83%（即测量精度约为1.2/N），首次逼近了最优海森堡极限（1/N）。

量子测量的应用领域

通过对不同种类量子系统中独特的量子特性进行控制与检测，可以实现量子定位导航、量子目标识别、量子重力测量、量子磁场测量、量子时间基准五大领域的精密测量。而实现精密测量的物理装置就叫作量子传感器，包括量子陀螺仪、量子雷达、量子重力仪、量子磁力仪和量子加速度计等。

量子传感器能够实现更高精度，比如传统机电式陀螺仪的精度约为10e-6°/h，而量子陀螺仪的理论精度可达10e-12°/h；又如传统时间同步技术最高精度是100皮秒（10e-12秒），而量子时间同步协议的精度可达到皮秒量级。

一个实用的量子传感器应具备五大特点：非破坏性、实时性、灵敏性、稳定性和多功能性。

当前科学家利用电子、光子、声子等量子体系已经可以实现对电磁场、温度、压力、惯性等物理量的高精度量子传感，实验演示了量子超分辨显微镜、量子磁力计、量子陀螺等。应用范围涉及基础科研、空间探测、材料分析、惯性制导、地质勘测、灾害预防等诸多领域。

例如，量子磁力仪广泛应用于生物医学、地球物理、空间探索和军事国防各领域。目前用于检测阿尔茨海默症等脑部疾病的脑磁图扫描仪（MEG）已经使用了量子传感技术。

2018年，英国诺丁汉大学开发出了一种轻便可穿戴的头盔式脑磁图扫描仪。传统的脑磁图扫描仪要在低温下工作，需要配套的冷却设备，外观笨重且成本昂贵。而新型脑磁图扫描仪使用了量子传感器等技术，它灵敏度更高、几乎不需要冷却。

在中国，近年来北京大学量子电子学研究所先后通过突破激光光源技术、原子磁传感器加工技术以及自主设计实现磁共振信号检测电路，并成功研制了激光光泵氦原子磁力仪。

杜江峰团队的国仪量子基于NV色心技术研制的量子钻石原子力显微镜可实现磁学性质的定量无损成像，具有纳米级的高空间分辨以及单个自旋的超高探测灵敏度。

量子重力仪的应用同样广泛。当探测地下物体时往往需要用到重力仪，但传统重力仪的问题是读数不准确、耗时长且易于受到地面振动的影响。而用量子传感器来进行重力测量就会有明显的优势：速度更快、读数更精确、探测的更深且不受地面振动的影响。

英国伯明翰大学率先开发了名为Wee_G的量子重力仪样机，并于2018年成功实现了量子重力梯度仪样机Gravity-Imager的测试。2019年该团队进一步将Wee_G的重力场测量精度提升至10-9mGa数量级。

量子重力仪及其原理图

根据英国政府发布的量子报告，英国进行基础设施维护，需要每年花费50亿英镑在道路上挖400万个洞，之所以这么做竟然是因为人们不清楚地下设施的具体位置。

而量子重力仪能帮助建筑行业确定地下的详细状况，减少由于意外危险造成的工程延误，并摆脱对昂贵的勘探挖掘的依赖。

量子重力仪还可应用于资源勘探，这在美国是一个价值30亿美元的庞大市场。目前主流的勘探形式为地震探测，因为重力测量的设备非常笨重且昂贵，只有在不为人所知的地方才被采用。

而如今量子增强型MEMS（微电子机械系统）传感器的出现就减少了设备调整的操作，使整个测量工作可以更快推进，连成本也降到了之前的十分之一。

更让人兴奋的是，2016位于美国的激光干涉引力波观测仪（LIGO）成功测量到在距离地球13亿光年处的两个黑洞合并所发射出的引力波信号。

在中国，华中科技大学研究团队通过定制先进悬架设计的光学位移传感器，研发了新型量子重力MEMS芯片（Tang et al.，2019），该芯片灵敏度高达8μGal/√Hz、动态范围高达8000mGal（重力加速度单位）。

对于磁场、重力的测量，对应着量子磁力仪和重力仪，而在目标识别和定位导航领域，量子雷达、量子陀螺仪和量子加速度计就至关重要了。

顾名思义，量子雷达是传统雷达与量子技术的结合，它通过对电磁场的微观量子态操控实现目标检测和成像，具有提高灵敏度，突破分辨率极限，增强抗干扰能力等优势。

按照技术路线，量子雷达分为三类：第一类是干涉式量子雷达，只在发射机采用电磁波探测目标，接收机采用干涉式测量；第二类是量子照明雷达，发射机和接收机都采用量子技术；第三类是接收端量子增强雷达，采用与普通激光雷达完全相同的发射端，而在接收端使用了量子增强技术。

量子雷达近年来已取得重大进展。2017年，南京航空航天大学雷达成像与中国电科14所共同研制出微波光子雷达实时成像系统，成功突破了微波成像成像精度差、处理速度慢以及实时性差等难题，实现了对小尺寸目标的实时高分辨成像。

在2018年，中国电子科技集团宣布，基于单光子检测的量子雷达系统在中国电科14所研制成功，达到国际先进水平。

中电14所量子雷达

商业化方面，中科大在上海成立了国耀量子雷达，技术来源于潘建伟院士团队和窦贤康院士团队。国耀公司的量子测风激光雷达，面向航空、军事、风力发电等领域，另一款产品量子气溶胶激光雷达，面向气象、环保等领域。

量子雷达属于目标识别，而要实现定位导航则需要量子陀螺仪。陀螺又叫角速度传感器，是决定惯性导航系统性能的核心器件，广泛应用于飞行器和舰船制导以及自动驾驶等领域。

量子陀螺较传统机电式陀螺和光电式陀螺，在测量精度和小型化集成前景等方面都具有较大的优势。其中，核磁共振陀螺发展最为成熟，已经进入芯片化产品研发，原子干涉、超流体干涉和金刚石色心陀螺目前还处于原理验证和技术试验阶段，距离实用化较远。

此外，量子定位导航的关键部件还有量子加速度计。从2014年开始，英国国防科学与技术实验室 (DSTL)在研究一种以超冷原子为基础的加速计，并命名为量子定位系统 (QPS)。

英国QPS的技术原理是:激光捕获真空中的原子云，并使其冷却至绝对零度以上不到1度的温度。超低温下，原子会变成一种量子态，这种量子态很容易受外力干扰。这时，用另一束激光来跟踪监测干扰造成的变化，就能计算出外力大小。

英国计划用这种量子系统对潜艇进行导航，因为GPS会在水下失灵 ，所以潜艇下沉后要用加速计来导航，记录每次扭身、转向，但目前的加速计并不精确，QPS不受水下、建筑物遮挡等环境限制，导航精度比目前GPS最多高出3个数量级，可大幅提升潜艇隐蔽性。

上述量子测量的五大应用领域，全球范围来看，目前量子时钟源、量子磁力计、量子雷达、量子重力仪、量子陀螺、量子加速度计等领域均有样机产品报道。据BCC Research的统计分析，全球量子测量市场收入由2018年的1.4 亿美元增长到2019年的1.6亿美元，并预测未来5年年复合增长率将在13%左右。

欧美国家量子测量领域多为高校、研究机构、企业、军队、政府等多方联合助力，共同推进技术发展和产业推广，实现研究成果落地和产品化，量子测量产业发展迅速。

而在国内，量子测量领域研究多集中于高校和科研机构。从科研机构数量、科研投入、论文数量来看基本与欧美国家持平，但成果转化和知识产权开发较为困难。目前国内已经产业化的领域多集中在原子钟领域。少数企业致力于量子雷达、量子态操控与读取等领域。

中国的优势在于市场潜力巨大。随着国内对车联网、物联网、远程医疗等技术的兴起，超高精度低成本的传感器、生物探针、导航器件等关键器件的需求量会呈指数增长，为量子测量产业提供了广阔的市场。

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1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。