“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”——這是國外某科研機構設想的未來作戰(zhàn)場景，其中量子精確導航、高精度重力傳感器都是采用量子測量技術實現的。

隨著量子測量技術的發(fā)展，相關產業(yè)逐漸涉及軍事、科研、民生等諸多領域，其戰(zhàn)略意義越來越突出。量子測量技術正在走出實驗室，走向實踐應用，走向更加廣闊的未來。請看專家解讀——

從經典測量到量子測量

認識量子測量之前，不得不先說一下基于經典力學的經典測量。

在經典力學里，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果。這張紙不會因為你的測量行為變寬或變窄。

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多次測量或改進技術來降低測量誤差。但隨著測量對精度的要求越來越高，經典測量技術已很難做到進一步提升。為此，科學家們不約而同地把目光轉向量子測量技術。

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，并最早獲得運用。該理論認為，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。

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

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

綜上，量子測量是以量子力學為理論基礎，運用相干疊加、量子糾纏等技術手段，對原子、離子、光子等微觀粒子的量子態(tài)進行制備、操控、測量和讀取，配合數據處理與轉換，實現對角速度、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致的量子態(tài)改變來實現精密測量。

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年開始從實物計量標準轉向量子計量標準，這標志著物理量測量正式進入了量子時代。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，科學家們發(fā)明了原子鐘。我們熟悉的北斗導航衛(wèi)星，就是應用原子鐘實現了精準導航。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，世界各國科學家研發(fā)的原子鐘不斷刷新著科學的極限。“在原子鐘誕生后的60年里，每當我們建成一臺更好的鐘，便會催生出一些無法預期的新應用。”美國國家標準技術局最新的銫原子鐘研究項目負責人說。

量子測量的探測距離更遠。當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系。簡而言之，兩個量子無論離得多遠，都能產生一種關聯性的互動。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現測量了。此外，利用量子技術提高測量系統(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)測量手段提升數倍甚至數十倍。

量子測量的測量設備更小。由于量子測量極高的靈敏度，在保持目標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，測量設備的體積可以減少一半甚至更多。美國麻省理工學院2019年首次報道了在硅芯片上制造量子傳感器，實現對磁場的精密測量。中國科學技術大學2019年成功實現了50納米空間分辨力高精度多功能量子傳感，可應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，這些信息提升目標測量的維度，增強了目標識別能力。

量子測量應用未來戰(zhàn)場

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

過去，潛艇的導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，量子導航系統(tǒng)精度在24小時內的定位誤差僅有1米。不僅是水下，地下和建筑群中等導航衛(wèi)星難以觸及的地方，量子慣性導航同樣可以發(fā)揮作用。通過使用量子重力儀或磁力儀對該區(qū)域的磁場進行精確測量，其導航精度可以精確到厘米級。

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

隨著量子導航設備的小型化，其定位、定姿、定時等導航信息在預警機、無人機、潛艇、導彈、直升機等裝備中將會得到廣泛應用，提升裝備戰(zhàn)斗能力，甚至帶來作戰(zhàn)模式的變革。

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

由于量子雷達采用的雷達體制不同，不易被發(fā)現和干擾，可有效避開現有反輻射導彈的攻擊?；诹孔永走_的成像技術還可實現對目標的多特性測量，形成普通雷達觀測設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體積將減小到二分之一甚至四分之一，識別準確率和速度獲得成倍提升。

量子測量技術的發(fā)展，也為電子偵察帶來了新的技術手段。

電磁對抗中，無線電信號的接收極為關鍵。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，其內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，美國科學家首次研發(fā)出量子接收機，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，需要多個獨立天線系統(tǒng)、放大器及其他組件才可實現。相形之下，量子接收機的外形小巧，很難被其他設備探測到。其靈敏度還可進一步提高，用來探測微弱信號，并擴展用于探測復雜的無線電波。

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