“在未來的某個戰(zhàn)場上，士兵在陌生的地域中艱難前行。由于敵方干擾致使GPS信號失效，他使用量子精確導(dǎo)航系統(tǒng)確定了自己所處的位置。通過高精度重力傳感器，他探測到前方有一個疑似鋼筋混凝土建造的地下工事，可能隱藏了大量的敵軍和他們的物資。在將地下工事的精確坐標(biāo)上報給空中打擊單元后，智能彈藥摧毀了地下的一切，士兵安然無恙”——這是國外某科研機(jī)構(gòu)設(shè)想的未來作戰(zhàn)場景，其中量子精確導(dǎo)航、高精度重力傳感器都是采用量子測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

隨著量子測量技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)逐漸涉及軍事、科研、民生等諸多領(lǐng)域，其戰(zhàn)略意義越來越突出。量子測量技術(shù)正在走出實(shí)驗(yàn)室，走向?qū)嵺`應(yīng)用，走向更加廣闊的未來。請看專家解讀——

從經(jīng)典測量到量子測量

認(rèn)識量子測量之前，不得不先說一下基于經(jīng)典力學(xué)的經(jīng)典測量。

在經(jīng)典力學(xué)里，物體的狀態(tài)是可以被測量的，并且測量行為對被測對象的干擾可以忽略不計。也就是說，不論你測或者不測，物理量都在那里，不會改變。比如，如果想要測量一張紙的寬度，將尺子比上去便可得到結(jié)果。這張紙不會因?yàn)槟愕臏y量行為變寬或變窄。

只要是測量，就會有誤差。在這種情況下，人們一般都是通過反復(fù)多次測量或改進(jìn)技術(shù)來降低測量誤差。但隨著測量對精度的要求越來越高，經(jīng)典測量技術(shù)已很難做到進(jìn)一步提升。為此，科學(xué)家們不約而同地把目光轉(zhuǎn)向量子測量技術(shù)。

要提升測量的精度，最直接的方法就是找到一把分辨率更高的“尺子”。近年來，人們利用量子力學(xué)的基本屬性，發(fā)明了三把“尺子”——基于微觀粒子能級的測量、基于量子相干性的測量、基于量子糾纏的測量。

基于微觀粒子能級的測量是基于玻爾的原子理論提出的，并最早獲得運(yùn)用。該理論認(rèn)為，原子從一個“能量態(tài)”躍遷至低的“能量態(tài)”時便會釋放電磁波，這種電磁波特征頻率是不連續(xù)的。1967年，國際計量大會對“秒”做出了重新定義：銫原子中電子能級躍遷周期的9192631770倍為1秒。這是量子理論在測量問題上的第一個重大貢獻(xiàn)。

基于量子相干性的測量技術(shù)，是利用量子的物質(zhì)波特性，通過干涉法進(jìn)行外部物理量的測量。我們熟悉的陀螺儀、重力儀、重力梯度儀等都運(yùn)用了這一技術(shù)。

基于量子糾纏的測量技術(shù)，是通過測量處于糾纏態(tài)的N個量子“尺子”相干疊加后的結(jié)果，使得最終的測量精度達(dá)到單個量子“尺”的1/N。它是量子力學(xué)理論范疇內(nèi)所能達(dá)到的最高精度。

綜上，量子測量是以量子力學(xué)為理論基礎(chǔ)，運(yùn)用相干疊加、量子糾纏等技術(shù)手段，對原子、離子、光子等微觀粒子的量子態(tài)進(jìn)行制備、操控、測量和讀取，配合數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對角速度、重力場、磁場、頻率等物理量的超高精度精密探測。簡言之，人們可通過操作微觀粒子（如光子、原子、離子等），分析待測物理量變化導(dǎo)致的量子態(tài)改變來實(shí)現(xiàn)精密測量。

量子測量有何神奇之處

2018年第26屆國際計量大會正式通過決議，規(guī)定2019年開始從實(shí)物計量標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向量子計量標(biāo)準(zhǔn)，這標(biāo)志著物理量測量正式進(jìn)入了量子時代。量子測量到底有哪些神奇之處呢？

量子測量的精度更高?；诹孔訙y量，科學(xué)家們發(fā)明了原子鐘。我們熟悉的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，就是應(yīng)用原子鐘實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)導(dǎo)航。從100萬年誤差1秒，到500萬年誤差1秒，再到37億年誤差1秒……在這場追求更高精度的科技競賽中，世界各國科學(xué)家研發(fā)的原子鐘不斷刷新著科學(xué)的極限。“在原子鐘誕生后的60年里，每當(dāng)我們建成一臺更好的鐘，便會催生出一些無法預(yù)期的新應(yīng)用。”美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局最新的銫原子鐘研究項目負(fù)責(zé)人說。

量子測量的探測距離更遠(yuǎn)。當(dāng)兩個量子糾纏在一起時，其中一個會影響另一個，并且與距離等因素沒有關(guān)系。簡而言之，兩個量子無論離得多遠(yuǎn)，都能產(chǎn)生一種關(guān)聯(lián)性的互動。如果我們能夠把一對糾纏的量子分開兩地，比如一個南極、一個北極，理論上就可以在兩極之間實(shí)現(xiàn)測量了。此外，利用量子技術(shù)提高測量系統(tǒng)的靈敏度之后，可以探測到更微弱的信號，其作用距離比傳統(tǒng)測量手段提升數(shù)倍甚至數(shù)十倍。

量子測量的測量設(shè)備更小。由于量子測量極高的靈敏度，在保持目標(biāo)檢測能力不變的前提下，量子測量所需的發(fā)射功率更低。這樣有利于設(shè)備的小型化，在載荷有限的平臺上裝配具有較大優(yōu)勢。如果采用量子元器件替換普通電子元件，測量設(shè)備的體積可以減少一半甚至更多。美國麻省理工學(xué)院2019年首次報道了在硅芯片上制造量子傳感器，實(shí)現(xiàn)對磁場的精密測量。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)2019年成功實(shí)現(xiàn)了50納米空間分辨力高精度多功能量子傳感，可應(yīng)用于微納電磁場和光電子芯片的檢測。

量子測量的測量手段更豐富。相比經(jīng)典測量，基于量子態(tài)的測量表征了量子的微觀特性，可以提取更多維度的目標(biāo)信息。除了宏觀的空間、時間和頻域特征外，量子測量可利用的信息資源更為豐富，如光子的偏振、糾纏等，這些信息提升目標(biāo)測量的維度，增強(qiáng)了目標(biāo)識別能力。

量子測量應(yīng)用未來戰(zhàn)場

未來戰(zhàn)場上，制電磁權(quán)成為交戰(zhàn)各方爭奪的重點(diǎn)之一。復(fù)雜的電磁環(huán)境下，指揮員對戰(zhàn)場的感知愈發(fā)困難。量子測量技術(shù)的應(yīng)用，為制勝未來戰(zhàn)場提供了更多可能。

過去，潛艇的導(dǎo)航問題一直困擾著各國海軍。由于GPS會在水下失靈，潛艇下沉后會失去GPS信號。依靠加速計來導(dǎo)航，航行一天可能會偏離航線1千米左右。2016年，英國皇家海軍在潛艇測試時發(fā)現(xiàn)，量子導(dǎo)航系統(tǒng)精度在24小時內(nèi)的定位誤差僅有1米。不僅是水下，地下和建筑群中等導(dǎo)航衛(wèi)星難以觸及的地方，量子慣性導(dǎo)航同樣可以發(fā)揮作用。通過使用量子重力儀或磁力儀對該區(qū)域的磁場進(jìn)行精確測量，其導(dǎo)航精度可以精確到厘米級。

量子慣性導(dǎo)航既可以克服現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航和星載導(dǎo)航在復(fù)雜的電磁、地理環(huán)境下易受干擾和無法獲取信息的缺陷，也可以克服慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度低、故障率高等系統(tǒng)缺陷，從而實(shí)現(xiàn)長航時高精度自主導(dǎo)航。

隨著量子導(dǎo)航設(shè)備的小型化，其定位、定姿、定時等導(dǎo)航信息在預(yù)警機(jī)、無人機(jī)、潛艇、導(dǎo)彈、直升機(jī)等裝備中將會得到廣泛應(yīng)用，提升裝備戰(zhàn)斗能力，甚至帶來作戰(zhàn)模式的變革。

人們常把雷達(dá)比作千里眼，量子技術(shù)的注入，如同又把這雙千里眼煉成了火眼金睛。量子雷達(dá)在抗干擾、反雜波、反隱身及目標(biāo)識別等方面相比傳統(tǒng)雷達(dá)優(yōu)勢明顯，可將雷達(dá)的最大探測距離提高41%，對探測隱形飛機(jī)尤其有效。如果作戰(zhàn)飛機(jī)上的遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈的末端制導(dǎo)使用量子雷達(dá)技術(shù)，它的攻擊距離可提升至上千千米。

由于量子雷達(dá)采用的雷達(dá)體制不同，不易被發(fā)現(xiàn)和干擾，可有效避開現(xiàn)有反輻射導(dǎo)彈的攻擊。基于量子雷達(dá)的成像技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的多特性測量，形成普通雷達(dá)觀測設(shè)備無法直接獲得的戰(zhàn)場圖像。此外，隨著量子元器件水平的提升，未來采用量子無線電組件的量子雷達(dá)體積將減小到二分之一甚至四分之一，識別準(zhǔn)確率和速度獲得成倍提升。

量子測量技術(shù)的發(fā)展，也為電子偵察帶來了新的技術(shù)手段。

電磁對抗中，無線電信號的接收極為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的無線電接收系統(tǒng)主要依靠天線和基于電子電路的接收機(jī)，其內(nèi)部器件的熱噪聲制約了系統(tǒng)的靈敏度和測量精度。同時，天線體積與無線電波長成正比，無線電接收系統(tǒng)的體積也難以小型化。

2018年，美國科學(xué)家首次研發(fā)出量子接收機(jī)，使用高度受激、超靈敏的里德堡原子作為微波接收器，可探測從0到100吉赫茲的無線電信號，覆蓋整個無線電頻譜。傳統(tǒng)無線電接收系統(tǒng)如果想覆蓋如此大的頻譜范圍，需要多個獨(dú)立天線系統(tǒng)、放大器及其他組件才可實(shí)現(xiàn)。相形之下，量子接收機(jī)的外形小巧，很難被其他設(shè)備探測到。其靈敏度還可進(jìn)一步提高，用來探測微弱信號，并擴(kuò)展用于探測復(fù)雜的無線電波。

目前，世界上多個國家的研究機(jī)構(gòu)都在開展量子測量技術(shù)的工程化、小型化應(yīng)用研究?？梢灶A(yù)期，以軍事應(yīng)用為牽引，量子測量技術(shù)將會在通信、能源、航空等諸多領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。