量子精密測(cè)量：測(cè)量精度突破經(jīng)典技術(shù)極限

nimfangxiang 2023-06-22 發(fā)布于北京

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轉(zhuǎn)載自《學(xué)習(xí)時(shí)報(bào)》2022-02-16

精密測(cè)量是科學(xué)研究的基礎(chǔ)。可以說(shuō)，整個(gè)現(xiàn)代自然科學(xué)和物質(zhì)文明是伴隨著測(cè)量精度的不斷提升而發(fā)展的。以時(shí)間測(cè)量為例，從古代的日晷、水鐘，到近代的機(jī)械鐘，再到現(xiàn)代的石英鐘、原子鐘，隨著時(shí)間測(cè)量的精度不斷提升，通信、導(dǎo)航等技術(shù)才得以不斷發(fā)展，不僅給社會(huì)生活帶來(lái)極大的便利，也為新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)提供了利器。因此，更高的測(cè)量精度一直是人類(lèi)孜孜以求的目標(biāo)。

隨著量子力學(xué)基礎(chǔ)研究的突破和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，人們不斷提升對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控和測(cè)量的能力，從而可以利用量子態(tài)進(jìn)行信息處理、傳遞和傳感。量子精密測(cè)量是利用量子力學(xué)規(guī)律，特別是基本量子體系的一致性，對(duì)一些關(guān)鍵物理量進(jìn)行高精度與高靈敏度的測(cè)量。利用量子精密測(cè)量方法，人們?cè)跁r(shí)間、頻率、加速度、電磁場(chǎng)等物理量上可以獲得前所未有的測(cè)量精度。正是由于量子調(diào)控與量子信息技術(shù)的發(fā)展，2018年第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過(guò)決議，從2019年開(kāi)始實(shí)施新的國(guó)際單位定義，從實(shí)物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向量子計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，這標(biāo)志著精密測(cè)量已經(jīng)進(jìn)入量子時(shí)代。

時(shí)間頻率的精密測(cè)量

高精度時(shí)間頻率的測(cè)量和應(yīng)用支撐著相關(guān)科學(xué)研究的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)社會(huì)的運(yùn)行和國(guó)家安全系統(tǒng)的建設(shè)。高精度時(shí)頻服務(wù)系統(tǒng)是國(guó)家戰(zhàn)略資源。

原子鐘所給出的頻率和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)是目前測(cè)量精度最高的基本物理量。同時(shí)，原子鐘精度的提高也帶動(dòng)其他基本物理量測(cè)量、物理常數(shù)定義和物理定律檢驗(yàn)精度的提高，促進(jìn)了新物理的發(fā)現(xiàn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。在微波段運(yùn)行的原子鐘已被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、通信等領(lǐng)域。被廣泛使用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)(例如我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、美國(guó)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS等)中的每一顆衛(wèi)星都載有多臺(tái)微波段原子鐘，通過(guò)對(duì)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間做精確測(cè)量來(lái)給出用戶定位信息。由于在導(dǎo)航系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用，星載原子鐘被喻為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的心臟。我國(guó)科學(xué)家正在積極發(fā)展下一代更高精度的星載微波段原子鐘，2018年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了利用激光冷卻技術(shù)的空間冷原子鐘。

由于量子精密測(cè)量方法上的突破，在光波段運(yùn)行的原子鐘(簡(jiǎn)稱(chēng)光鐘)具有更高的精確度與穩(wěn)定度，有望達(dá)到10-21量級(jí)(即萬(wàn)億年的誤差不超過(guò)1秒)。光鐘技術(shù)在近20年來(lái)迅猛發(fā)展，例如，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局研制的鍶原子光鐘，在不確定度上達(dá)到10-18量級(jí)、穩(wěn)定度達(dá)到10-19量級(jí)，相比微波原子鐘進(jìn)步了至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)；我國(guó)科學(xué)家發(fā)展的鈣離子光鐘的不確定度與穩(wěn)定度均進(jìn)入10-18量級(jí)。同時(shí)，我國(guó)已布局發(fā)展空間光鐘，目標(biāo)是要在太空中把時(shí)間頻率測(cè)量精度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。新一代時(shí)間測(cè)量與傳遞技術(shù)將為洲際光鐘比對(duì)、國(guó)際「秒」定義的產(chǎn)生作出貢獻(xiàn)，為未來(lái)引力波探測(cè)、暗物質(zhì)探測(cè)等物理學(xué)基本原理檢驗(yàn)提供新方法。同時(shí)，對(duì)光信號(hào)的高精度相位控制與測(cè)量，也會(huì)極大地提升未來(lái)星地一體量子通信網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞速度。

量子導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種不依賴(lài)于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，具有高隱蔽性、全時(shí)空間工作的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)家安全等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

根據(jù)公開(kāi)報(bào)道的當(dāng)前最好的經(jīng)典慣性導(dǎo)航技術(shù)，水下航行100天之后的定位誤差將達(dá)到100千米量級(jí)，還不足以支持長(zhǎng)時(shí)間的完全自主導(dǎo)航。通過(guò)對(duì)原子的量子調(diào)控，基于原子自旋、冷原子干涉效應(yīng)的量子陀螺儀和重力儀可實(shí)現(xiàn)超高靈敏度的慣性測(cè)量，有望達(dá)到水下航行100天之后的定位誤差小于1千米，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間完全自主導(dǎo)航。因此，基于量子陀螺儀和重力儀的導(dǎo)航系統(tǒng)，在長(zhǎng)航時(shí)高精度自主導(dǎo)航、前沿物理等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。此外，高精度的重力測(cè)量還可廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、資源勘探等領(lǐng)域。

目前，我國(guó)研究人員研制成功的原子自旋陀螺原理樣機(jī)，指標(biāo)與國(guó)外公開(kāi)報(bào)道的最高指標(biāo)相當(dāng)；可移動(dòng)原子重力儀精度已接近國(guó)際一流水平，小型移動(dòng)式冷原子重力儀達(dá)到了目前國(guó)際上野外連續(xù)重力觀測(cè)的最好水平，為實(shí)現(xiàn)高精度自主導(dǎo)航系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

單量子靈敏探測(cè)

對(duì)單光子、單電子、單原子、單分子等量子系統(tǒng)的高靈敏度探測(cè)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，成為近年來(lái)國(guó)際物理學(xué)研究的熱點(diǎn)前沿領(lǐng)域。

單自旋探測(cè)技術(shù)在量子計(jì)算、生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。我國(guó)研究人員利用以金剛石NV色心為代表的固態(tài)單自旋體系實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有高空間分辨率與高靈敏度的磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)，在室溫大氣條件下獲得了國(guó)際上首張單個(gè)蛋白質(zhì)分子的磁共振譜，為研究單分子、單細(xì)胞層面的生物學(xué)問(wèn)題提供了測(cè)量基礎(chǔ)。該技術(shù)也可用于探索微觀尺度的磁性質(zhì)、磁結(jié)構(gòu)等。

單原子探測(cè)技術(shù)在地球科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。我國(guó)研究人員發(fā)展了新一代激光原子阱單原子靈敏檢測(cè)方法，可以一個(gè)一個(gè)地?cái)?shù)出環(huán)境樣品中所含的極微量同位素原子，包括空氣中含量?jī)H為百億億分之一的氪-81同位素。這一天然示蹤劑被用來(lái)幫助了解全球與區(qū)域性水、冰循環(huán)過(guò)程，給百萬(wàn)年的古地下水與冰川定年，為氣候變化研究、水資源管理提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

分子包含電子運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等多個(gè)量子化自由度，單分子尺度的量子體系由于具有強(qiáng)烈的空間限域、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性破缺和顯著的分立能級(jí)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出十分豐富和新奇的量子效應(yīng)。我國(guó)研究人員利用掃描電鏡、原子力顯微鏡、拉曼光譜三種探測(cè)方法的聯(lián)用，全面揭示了表面上單個(gè)分子的結(jié)構(gòu)與變化，在單化學(xué)鍵精度上實(shí)現(xiàn)了單分子多重特異性的綜合表征。

近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者在量子精密測(cè)量方面不斷追趕國(guó)際先進(jìn)水平，技術(shù)突飛猛進(jìn)，成果斐然。譬如，在原子鐘、量子陀螺儀等方面的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)接近國(guó)際先進(jìn)水平；在量子雷達(dá)、痕量原子示蹤、弱磁場(chǎng)測(cè)量等方面已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并取得了一批國(guó)際領(lǐng)先的成果。隨著研究水平的不斷提升和核心競(jìng)爭(zhēng)力的進(jìn)一步增強(qiáng)，我國(guó)量子精密測(cè)量領(lǐng)域?qū)⒃诳茖W(xué)研究、經(jīng)濟(jì)生活和國(guó)家安全等重大戰(zhàn)略需求中發(fā)揮重要作用。

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