量子精密测量：小数点后每前进一位都是一场革命 | 袁岚峰

向大家推荐一家著名的科普杂志，它叫做《科学世界》，由中国科学院科学出版社主办，制作精美，声誉卓著。他们邀我开了一个专栏，从2025年1月开始。下面，我就来介绍一下我在《科学世界》2025年8月刊的文章，标题是《量子精密测量：小数点后每前进一位都是一场革命》。
上一期中我们说到，现在媒体报道的量子科技其实十有八九是量子信息（quantum information），它是近四十年来发展起来的交叉学科，量子力学与信息科学的嫁接。我们还说到，量子信息内部有三个研究领域：量子通信（quantum communication）、量子计算（quantum computing）和量子精密测量（quantum metrology）。
在这三者之中，量子精密测量的存在感大概是最低的，大多数人可能压根都没听说过这个词。例如2016年中国发射“墨子号”量子科学实验卫星以来，几乎所有人都听说了量子通信。2020年中国发布“九章”光量子计算机以来，几乎所有人都听说了量子计算。但量子精密测量，——这是个啥？
虽然量子精密测量的知名度是最低的，但当我们要系统地介绍量子信息时，却偏偏打算从它开始，而不是量子通信或量子计算。这是因为量子精密测量有个好处：完全不需要对量子力学的原理有任何了解，就很容易理解量子精密测量的效果。它的效果就是提高对某些物理量的测量精度，这是一目了然的。任何人都能明白，提高测量精度就可能做到以前无法做到的事情。
例如小学课文里就有《纪昌学射》的故事，出自《列子·汤问》：
“甘蝇，古之善射者，彀弓而兽伏鸟下。弟子名飞卫，学射于甘蝇，而巧过其师。纪昌者，又学射于飞卫。飞卫曰：‘尔先学不瞬，而后可言射矣。’
纪昌归，偃卧其妻之机下，以目承牵挺。二年之后，虽锥末倒眦而不瞬也。以告飞卫，飞卫曰：‘未也，必学视而后可。视小如大，视微如著，而后告我。’
昌以牦悬虱于牖，南面而望之。旬日之间，浸大也；三年之后，如车轮焉；以睹余物皆丘山也。乃以燕角之弧、朔蓬之簳射之，贯虱之心而悬不绝。以告飞卫。飞卫高蹈拊膺曰：‘汝得之矣！’”
当然，《纪昌学射》只是个寓言故事，其中的科学原理完全是幻想。不过只要提高测量精度就能创造奇迹，这是古人都能明白的道理。
沿着这个方向发展下去，伽利略用望远镜看到了木星的四颗卫星和土星光环、太阳黑子等等，由此推翻了地心说，支持了哥白尼的日心说。狭义相对论和广义相对论的发现，都可以归因于更高精度的实验发现某些传统理论不能解释的现象，如地球不同方向的光速没有差别（1887年的迈克尔孙-莫雷实验）以及太阳对光线的偏折（爱因斯坦提出，爱丁顿率领天文观测队在1919年观测到）。因此对于提高测量精度的重要性，有一句话说得高屋建瓴：在小数点后每前进一位，都是一场革命。
我们在上一期文章中提到的对1.36公里外毫米级目标高分辨成像的量子精密测量技术（http://t.cn/A6gq6YdL），就是这个方向的最新进展。这条线从纪昌到伽利略，再到迈克尔孙-莫雷和爱丁顿，再到现在的500米口径球面射电望远镜（FAST）和激光干涉引力波天文台（LIGO）等等。测量精度提高的历史，就是人类进步的历史。
在相关文献中，你会经常看到研究者说，某个物理量的经典测量极限已经达到了，再要进步只能依靠量子方法，然后指出这个物理量的量子测量极限是多少多少，总是比经典极限低得多。因此，量子精密测量代表了计量学的前进方向。即使不了解量子力学原理，你也很容易明白量子精密测量在干什么。
而相比之下，要了解量子通信或量子计算就难得多了。如果你不知道量子力学的原理，那么你连它们在做什么、在面对什么问题恐怕都很难搞明白。例如量子通信能提高通信的安全性，以前到底是哪里不安全？量子通信做了什么来提高？量子计算能对某些问题实现超高的算力，到底是对哪些问题？有多高的算力？这些都不是一句两句能说清楚的。因此，我们把量子精密测量放在最前面来介绍，下面来举几个具体的例子。
现在的潜艇每走一段距离就要上浮一次，因为它对自己的定位不够准确，走得远了就不知道自己在哪儿了。根据公开报道的当前最好的经典惯性导航技术，水下航行100天后的定位误差会达到100公里的量级。所以潜艇不得不上浮，跟卫星联络接收自己的位置。是的，潜艇上浮不是为了换气（现在的技术足以自制氧气用很长时间），而是为了通信！
但军事爱好者都知道，露出水面就是潜艇最危险的时候，敌人抓你一抓一个准。而基于原子自旋和冷原子干涉效应的量子陀螺仪和重力仪可实现超高灵敏度的惯性测量，有望达到水下航行100天后定位误差不到1公里（http://t.cn/A6pd5yge），所以潜艇不用上浮就知道自己在哪里。这对军事技术，称得上革命！
潜艇毕竟离日常生活比较远，但有趣的是，在大家每天都在用的技术中，就有一个可以算作量子精密测量的，它就是——卫星导航。大家都知道，现在天上飞着四个全球卫星导航系统：中国的北斗、美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯和欧洲的伽利略。它们定位的基本原理很简单：从卫星到物体发一束电磁波，测量出它走过的时间，乘以光速就得到距离，根据三个以上的距离就可以确定物体的坐标。这里的关键，就是时间要测量得极其精确。是什么技术把时间测量得这么准呢？是原子钟（atomic clock），它是人类目前最准确的钟。目前达到的最高精度，相当于从宇宙诞生到现在（约138亿年）误差不到一秒。
其实时间单位“秒”现在就是用原子钟来定义的，一秒等于铯（Cs）-133原子基态下两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的 91亿9263万1770个周期的时间。这是1967年第十三届国际度量衡大会制定的，目前正在研讨下一代秒的定义，当然是基于更先进的量子精密测量技术（http://t.cn/A6jlgtA4）。
为什么要用这样的定义，而不是像以前一样用摆钟或地球公转周期来定义？因为不同的摆钟无法造得完全一致，地球绕太阳转的周期不固定，而一个原子中两个能级的位置是完全由量子力学原理决定的，在宇宙中任何地方都一样。这就是为什么说，原子钟是一种量子精密测量技术。
目前，卫星导航系统上用到的原子钟包括铷（Rb）钟、铯钟和氢（H）钟。北斗三号卫星上的铷钟精度可以达到每天100亿分之5秒，处于国际领先水平。同时还装备了性能更优的氢钟，用铷钟来保底（http://t.cn/AXM4GOzm）。因此，北斗的性能在四大卫星导航系统中已经是部分领跑，这也跟大家日常的感受相符。
前面举了一个军用的例子、一个日用的例子，最后我们再来举一个星辰大海的例子。当前宇宙学的标准理论是，我们平常接触的可见物质只占宇宙的5%，还有27%是“暗物质”（dark matter）。暗的意思是它不可能被看见，也不可能被触摸到，因为它不参与电磁相互作用，只参与引力相互作用。5%的普通物质和27%的暗物质加起来是32%，那还有68%是什么呢？是更加神奇的“暗能量”（dark energy），它是一种让宇宙加速膨胀的能量。
暗物质既然看不见摸不着，为什么要相信它存在？这是因为有一些观测事实用普通物质不足以解释，如星系的旋转速度曲线（http://t.cn/A6K298Zr），宇宙学家认为加上暗物质提供的引力才能够解释。
然而，目前我们对暗物质所知的基本也就只有这么点。任何听说过暗物质这个概念的人，自然都会问：它是什么粒子？很遗憾，对此我们还一无所知，只知道它不是已知的任何粒子（中微子可能是暗物质的一部分，但只占暗物质总质量的1%量级）。这是整个物理学中最重要的未解之谜之一。因此，有很多实验在努力探测暗物质，如丁肇中领衔的国际合作项目阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer，简称AMS）、中国科学院紫金山天文台主导的“悟空”卫星（Dark Matter Particle Explorer，简称DAMPE）等等。
迄今为止，所有这些实验都还没有发现暗物质，——假如发现了，肯定会立刻成为全世界最轰动的新闻，显然这还没有发生。但它们也不是一无所获，它们的成果就是压低了暗物质与其他物质相互作用的参数上限。比如说有个理论模型预测在某种条件下会平均一个月看到一次某种事件，但观测结果是一年都没有看见一次，那就可以排除这种模型。或者说任何模型要想存活下来，都需要满足这些实验的定量限制。
2021年，中国科学技术大学彭新华教授研究组利用一种全新的自旋放大效应，用氙（Xe）和铷原子混合蒸气实现了迄今为止最佳灵敏度的核自旋磁传感器，能够探测出极其微弱的磁场。用这种技术，他们极大地压低了一类暗物质粒子的存在区间，比以前的国际最好水平改进了五个量级（http://t.cn/A6Jzxrnm）。
彭新华等人画了两张图来表示这个对比。前一张是以前最高精度的实验、一个大型天文学观测给出的暗物质界线，这个界线还比较高，下边有很多暗物质粒子嬉皮笑脸地在畅游，好像在说“你来抓我啊”。后一张是彭新华等人用量子精密测量技术给出的新界线，这个界线就低得多了，下边只有屈指可数的几个暗物质粒子，它们好像被压在五行山下一样愁眉苦脸。这就好比在一片鱼塘里摸鱼，水多的时候摸不到鱼，把鱼塘排干，鱼就无处藏身了。
更有趣的是，彭新华等人的实验还是一种桌面式实验，也就是说全部的实验装置可以在一张桌子上摆下，成本比以前的大型天文学观测低得多。所以这是一个成本极大降低而精度极大提高的进步，这样的事是很少见的！
你也许想问，这个成果能不能得诺贝尔奖？还不能，因为它还没有找到暗物质，只是在趋近这个目标。如果找到了暗物质，那当然就远不是诺贝尔奖的问题了，而是一场科学革命。不过看大图景，“工欲善其事必先利其器”是科学进步的基本途径，而量子精密测量就是我们最有前途的“器”。
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