量子精密测量技术及其在测量领域的典型应用

量子精密测量技术及其在测量领域的典型应用

一、引言
随着量子光学与原子物理学的发展，以及国际单位制的“量子化”修订，精密测量已正式进入量子时代。量子精密测量技术作为量子信息技术的核心领域之一，利用光、原子和磁之间的相互作用，基于量子力学基本原理（如能级跃迁、量子纠缠、量子相干等）对物理量进行高准确度测量。该技术突破了传统测量的经典极限（如散粒噪声极限、衍射极限），消除了宏观实物基准的不稳定性，在国防军工及国民经济中具有重要支撑作用。

二、量子精密测量的技术原理

• 基于微观粒子能级测量： 利用原子能级跃迁时辐射或吸收的光谱特征频率不连续的特性。待测物理量与量子体系相互作用导致能级变化，从而通过光谱能量大小反推物理量。典型应用如铯原子钟定义秒长。
• 基于量子相干性测量： 利用量子体系的波动特性，通过两束原子束干涉产生的相位差来反映待测物理量。广泛应用于原子陀螺仪、重力梯度仪等领域，正朝着小型化、芯片化发展。
• 基于量子纠缠测量： 让多个量子处于纠缠态，外界环境的作用相干叠加，使测量精度达到海森堡极限（单个量子的1/n）。应用于量子通信、量子雷达及卫星导航等前沿领域。
  

三、发展趋势与布局
国际计量体系正从实物标准向“量子标准”变革。中国及美、欧等国均制定了量子技术发展规划。主要趋势包括：

1. 芯片化发展： 利用量子效应实现芯片级计量基准，使其可随时随地复现，嵌入各类场所提供在线校准服务。
原子系综技术： 通过将原子囚禁在芯片上，研究高性能原子气室与光的相互作用。
微腔光梳与量子光场： 推动片上光频标应用，利用压缩光、纠缠光突破经典测量极限。

四、典型应用领域

4.1 飞秒光频梳测量技术
飞秒光频梳如同高精度的“频率尺”，将微波频率与光频率联系起来。
距离测量： 实现了超高速调频连续激光相对光学频率测量，不确定度达到微米级；荷兰科学家实现了增益开关光梳的绝对距离测量。
温度测量： 利用双光梳光谱技术进行高温气体温度测量，北京航天计量测试技术研究所研制的样机在2000K条件下准确度达1%。
频率标定与芯片化： 实现了对激光器绝对光学频率的高精度测量。微腔光梳技术的发展推动了集成封装的孤子光频梳诞生，具备重频高、光谱宽特点，适用于片上双梳光谱测温。

4.2 原子系综精密测量技术
利用激光与囚禁原子的相互作用测量磁场、温度、惯性及时间。
电场探测： 美国DARPA项目致力于开发里德堡原子传感器，实现高灵敏度电场探测。
时频测量： NIST研制的芯片级增强稳定性原子钟，稳定度优于传统芯片微波时钟100倍。
磁场测量： 原子磁强计（如SERF磁强计）具有极高的理论灵敏度，用于心磁图成像及暗物质搜寻。
惯性导航： 法国研制的量子加速度计，精度比经典导航传感器高50倍，可在无GPS环境下实现精确导航。

4.3 量子态光场光学精密测量技术
利用压缩态、纠缠态等非经典光场降低噪声，超越散粒噪声极限。
非线性干涉测量： 德国马克斯 - 普朗克研究所利用纠缠光子对搭建非线性干涉仪，灵敏度提高2.3 dB；新加坡科学院实现了对二氧化碳浓度的高准确度测量。
引力波探测： LIGO干涉仪引入压缩态光，显著提高了对高频信号的灵敏度，预期检测率提升40%~50%。
量子弱测量： 通过弱值放大技术提升信噪比，上海交通大学实现了对纳米级位移与纳弧度级角偏折的同时高精度测量。

五、结论
量子精密测量技术凭借高灵敏度、高准确度的优势，正在重塑现有的量值传递体系，使计量基准更加便捷、扁平化。未来，该技术将在军事、航空航天、通信等领域发挥巨大潜力，为高科技战争形态转变及基础科学研究带来革命性影响。

文章作者：葛萌, 张铁犁, 刘浩, 宋艳, 吴宸

文章原名：量子精密测量技术及其在测量领域的典型应用