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前沿 | 简述量子计量学的发展与应用
光子盒研究院
作为一个研究领域，量子计量学旨在利用量子力学原理提高测量精度。通过对长度、时间、频率和温度等物理量进行高精度测量，量子计量学所能测量的物理量往往远远超出了经典计量学所能测量的范围。
在本篇文章中，我们将概述量子计量学的相关进展，旨在为读者提供一份全面、综合的技术指南。
为了提高测量的灵敏度和准确性，量子计量学利用了量子系统的特殊性质，如纠缠和叠加。例如，可以利用纠缠态而不是经典态更精确地估算物理量。
量子计量学在导航、通信和医学等领域有大量应用，原子钟的应用包括全球定位系统导航和卫星通信，可用于开发更精确的时钟。磁共振成像（MRI）也能从中受益，因为它的灵敏度和分辨率都能得到提高。
下面，我们将简要介绍量子计量学将在其中发挥重要作用的三个重要领域。
1）引力波探测
引力波会荡漾时空，探测引力波需要极其精确的测量。利用量子计量学，可以提高引力波探测器的灵敏度，从而探测到更微弱的信号，为研究宇宙提供新方法。
2）原子钟
从 GPS 导航到电信，原子钟是人类已知最精确的时钟之一。原子钟利用原子的精确振动来计时，而量子计量学在测量这些振动方面发挥着重要作用。
3）成像
就分辨率和细节而言，量子传感器可以生成我们从未见过的图像。作为量子光学的一部分，量子成像利用量子相关性（如电磁场的量子纠缠）对物体进行成像，其分辨率和其他成像标准都超过了经典光学的成像标准。
目前，有几家公司专门从事量子计量学研究，以下是其中的几家：
1）APOGEE INSTRUMENTS
犹他州立大学作物生理学教授 Bruce Bugbee 博士于 1996 年创办了 Apogee Instruments 公司。其创新、耐用、精确的环境仪器使其成为业内受人尊敬的领导者。
2）ATOMIONICS
Atomionics公司成立于新加坡，是一家制造用于导航和资源勘探的量子传感器的初创公司。Atomionics 公司的原子传感器能够绘制详尽的地下地图，帮助确定隧道和掩体的位置、预测地震、提供精确导航，并建立一个可在地下、水下甚至太空等任何地方工作的通用定位系统。
其核心技术基于冷原子干涉测量法，即用激光照射原子，使其冷却到微开尔文温度。
3）GEM SYSTEMS
除了用于地球科学、地球物理学和其他应用的磁强计、梯度计和磁传感器外，总部位于加拿大安大略省的 GEM 高级磁强计公司还提供各种磁传感器。
GEM 开发先进的量子磁强计技术，如 Overhauser、光泵钾（K-Mag）和质子前驱磁强计。
在量子磁强计中，亚原子粒子（原子核和未成对价电子）被用来测量自旋。由此产生的前旋频率可以直接转化为磁场单位。与矢量结果（如磁通门地球物理仪器或 GEM 的悬浮 dIdD 技术）不同，量子结果是标量（总磁场强度）。
4）MIRAEX
Miraex 公司总部位于瑞士沃州，为工业应用设计、制造和提供量子传感和计算光子系统。该公司的工业传感解决方案可在资产故障发生之前防止其发生，即使在标准电子传感器无效的极端环境中也是如此。
Miraex 还制造用于高灵敏度测量和分布式量子计算网络的量子集成电路。
5）MUQUANS
Muquans 公司专注于制造高精度量子测量仪器，其使命是在地球物理学、计量学、时间和频率传播以及研究级激光光学等多个领域提供可靠的高价值科学仪器。
Muqauns 公司总部设在法国 Talence，作为巴黎天文台（LNE-SYRTE）和法国光学研究所 （LP2N）的衍生公司，Muqauns 公司发展了独特的科学和技术专长，其核心技术已在巴黎天文台和光学研究所研究了 15 年之久。
6）NOMAD ATOMICS
利用量子传感器，Nomad Atomics 公司正在改变采矿、地下资源和导航，专门从事一整套量子传感器，从磁力计、重力仪到时钟。
公司总部位于澳大利亚堪培拉。
7）NUCRYPT
Nucrypt 公司总部位于伊利诺伊州帕克里奇，生产光子仪器，包括量子纠缠生成、分配和测量系统，专门制造定制的光子设备，既可在实验室使用，也可在现场使用。
8）PERATECH
总部位于英国北约克郡的 Peratech 是一家压力传感解决方案公司，为移动、汽车、工业、机器人、电子电器、消费电子和健康/运动诊断领域一些最具创新精神和令人兴奋的公司提供 QTC® 专利技术，并提供具有成本效益、可大规模生产的下一代触摸解决方案。
QTC® 是“量子隧穿复合材料”（Quantum Tunnelling Composite）的首字母缩写。Peratech 拥有的专利涉及促进量子隧穿的配方和制造工艺。
9）QLM
QLM 通过其基于红外单光子探测的可调二极管激光雷达 (TDLidar) 气体探测和成像系统，为石油和天然气行业的气体传感提供帮助。
借助 QLM 的研究技术，天然气生产商、分销商和服务提供商可以快速、准确、低成本地识别和监测天然气泄漏。
10）QNAMI
Qnami 开发的基础新技术通过控制和测量电子状态，现在可以测量以前不可能测量的东西。
Qnami ProteusQ 是一套完整的量子显微镜系统。它是第一台在原子尺度上分析磁性材料的扫描NV（氮空位）显微镜。利用Qnami ProteusQ量子技术，可以直接观察样品最微妙的特性，以及设计或制造过程中的微观变化如何影响这些特性。
公司总部位于瑞士穆滕茨。
11）SBQUANTUM
Shine Bright Quantum公司正在为地球和太空开发量子磁学。为了更好地了解和驾驭环境，其团队正在利用磁智能建立一个精确的、局部的地球磁场模型。通过使用量子磁力计，公司可以更精确地测量磁共振线。
SBQuantum公司的解决方案由最先进的量子磁强计传感器提供支持。该公司利用氮空位金刚石的量子特性，设计出了一种结构紧凑的形式，确保了矢量分析的高灵敏度，同时还具有耐用、省电和无需仔细定位的特点。
该公司总部位于加拿大魁北克省舍布鲁克市。
12）SINGLE QUANTUM
作为超导单光子探测器的制造商，总部位于荷兰代尔夫特的 Single Quantum 公司成立于 2012 年，其使命是通过提供最佳的光子探测，使最苛刻的光学应用成为可能。
全球已有 80 多个学术和工业实验室选择我们的多通道探测系统来执行复杂的光学测量。SBQuantum 集探测效率和时间分辨率于一身，使其超导探测器成为量子通信、密码学、红外荧光光谱学和激光测距的理想选择。
量子计量学（以及一般计量学）领域对人们的日常生活影响巨大。在贸易、健康、安全、环境监测、食品安全、消费者权益保护和执法等许多重要领域，我们都依赖于计量学的测量结果。
然而，我们的测量工具常常被认为是理所当然的，我们没有意识到它们有多么重要。由于我们的周围充斥着各种测量工具，而且我们已经习惯了测量工具，因此我们往往会忽视（或者至少是淡化）测量工具的重要性。
遗憾的是，只有当我们的测量工具失效或无法使用时，我们才会充分认识到它们的重要性。
尽管量子计量学近年来经历了大量研究，但科学家们仍然认为它是一个研究不足的领域。正如本文所概述的那样，量子计量学研究目前的重点是确定其极限，以及在成像和测量等多个领域的应用。
参考链接：[1]https://thequantuminsider.com/2023/05/08/a-general-guide-to-quantum-metrology-in-2023/[2]https://pixabay.com//?utm_source=link-attribution&utm_medium=referral&utm_campaign=image&utm_content=782459