上期專欄文章中說到，現(xiàn)在媒體報(bào)道的量子科技其實(shí)十有八九是量子信息，它是近四十年來發(fā)展起來的交叉學(xué)科，是量子力學(xué)與信息科學(xué)的嫁接。我們還說到，量子信息內(nèi)部有三個(gè)研究領(lǐng)域：量子通信、量子計(jì)算和量子精密測量。三者之中，量子精密測量的存在感大概是最低的，但量子精密測量是什么呢？

提高對(duì)某些物理量的測量精度

·測量精度提高的歷史，就是人類進(jìn)步的歷史。

上期專欄文章中提到的對(duì)1.36千米外毫米級(jí)目標(biāo)高分辨成像的量子精密測量技術(shù)，就是提高對(duì)某些物理量的測量精度這個(gè)方向的最新進(jìn)展。這條線從紀(jì)昌（紀(jì)昌學(xué)射）到伽利略（用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)木星的四顆衛(wèi)星），再到邁克爾孫、莫雷（和邁克爾孫發(fā)現(xiàn)不同方向的光速?zèng)]有差別）和愛丁頓（率領(lǐng)天文觀測隊(duì)在1919年觀測到太陽對(duì)光線的偏折），再到現(xiàn)在的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）和激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）等。

LIGO由兩座天文臺(tái)組成：一座位于美國路易斯安那州，一座位于美國華盛頓州（上圖）。每座天文臺(tái)都有兩條長長的“臂”，每條臂長超過4千米。

·量子精密測量的例子

潛艇

現(xiàn)在的潛艇每走一段距離就要上浮一次，因?yàn)樗鼘?duì)自己的定位不夠準(zhǔn)確，走得遠(yuǎn)了就不知道自己在哪兒了。公開報(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天后的定位誤差會(huì)達(dá)到100千米的量級(jí)。所以潛艇不得不上浮，跟衛(wèi)星聯(lián)絡(luò)接收自己的位置。

而基于原子自旋和冷原子干涉效應(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量，有望達(dá)到水下航行100天后定位誤差不到1千米，所以潛艇不用上浮就知道自己在哪里。

衛(wèi)星導(dǎo)航

現(xiàn)在天上飛著四個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：中國的北斗、美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯和歐洲的伽利略。

它們定位的基本原理很簡單：從衛(wèi)星到物體發(fā)一束電磁波，測量出電磁波走過的時(shí)間，乘以光速就得到距離，根據(jù)三個(gè)以上的距離就可以確定物體的坐標(biāo)。這其中最關(guān)鍵的是有是原子鐘把時(shí)間測量得極其精確，它是人類目前最準(zhǔn)確的鐘，目前達(dá)到的最高精度，相當(dāng)于從宇宙誕生到現(xiàn)在（約138億年）誤差不到1秒。

時(shí)間單位“秒”現(xiàn)在就是用原子鐘來定義的，1秒等于銫（Cs）133原子基態(tài)下兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射的91億9263萬1770個(gè)周期的時(shí)間。具體來說，“銫133”原子對(duì)應(yīng)一個(gè)共振頻率，用這個(gè)頻率的電磁波照射銫133，銫133就會(huì)吸收能量，從原本的狀態(tài)（基態(tài)）變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，此時(shí)所使用的電磁波振動(dòng)特定次數(shù)所用的時(shí)間就定義為1秒。

用特有頻率的電磁波照射銫133原子，銫133就會(huì)吸收能量變成激發(fā)態(tài)（中圖）。如果頻率發(fā)生偏移，銫133不會(huì)吸收能量，不能達(dá)到激發(fā)態(tài)（上圖和下圖）。

為什么說，原子鐘是一種量子精密測量技術(shù)？因?yàn)椴煌臄[鐘無法造得完全一致，地球繞太陽轉(zhuǎn)的周期不固定，而一個(gè)原子中兩個(gè)能級(jí)的位置是完全由量子力學(xué)原理決定的，在宇宙中任何地方都一樣。

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上用到的原子鐘包括銣（Rb）鐘、銫鐘和氫（H）鐘。北斗三號(hào)衛(wèi)星上的銣鐘精度可以達(dá)到每天100億分之5秒，處于國際領(lǐng)先水平。同時(shí)還裝備了性能更優(yōu)的氫鐘，用銣鐘來保底。因此，北斗的性能在四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中已經(jīng)是部分領(lǐng)跑，這也跟大家日常的感受相符。

圖為兩臺(tái)星載銣原子鐘。

暗能量

我們平常接觸的可見物質(zhì)只占宇宙的5%，還有27%是“暗物質(zhì)”。暗的意思是它不可能被看見，也不可能被觸摸到，因?yàn)樗粎⑴c電磁相互作用，只參與引力相互作用。5%的普通物質(zhì)和27%的暗物質(zhì)加起來是32%，那還有68%是什么呢？是更加神奇的“暗能量”，它是一種讓宇宙加速膨脹的能量。有一些觀測事實(shí)用普通物質(zhì)不足以解釋，如星系的旋轉(zhuǎn)速度曲線，宇宙學(xué)家認(rèn)為加上暗物質(zhì)提供的引力才能夠解釋。

暗能量是整個(gè)物理學(xué)中最重要的未解之謎之一。因此，有很多實(shí)驗(yàn)在努力探測暗物質(zhì)，如丁肇中領(lǐng)銜的國際合作項(xiàng)目阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer，AMS）、中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)主導(dǎo)的“悟空”衛(wèi)星（Dark Matter Particle Explorer，DAMPE）等。

迄今為止，所有這些實(shí)驗(yàn)都還沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，但這些實(shí)驗(yàn)也不是一無所獲，它們的成果就是壓低了暗物質(zhì)與其他物質(zhì)相互作用的參數(shù)上限。比如說有個(gè)理論模型預(yù)測在某種條件下會(huì)平均一個(gè)月看到一次某種事件，但觀測結(jié)果是一年都沒有看見一次，那就可以排除這種模型?；蛘哒f任何模型要想存活下來，都需要滿足這些實(shí)驗(yàn)的定量限制。

利用量子精密測量技術(shù)觀測暗物質(zhì)

2021年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)彭新華教授研究組利用一種全新的自旋放大效應(yīng)，用氙（Xe）和銣原子混合蒸氣實(shí)現(xiàn)了迄今為止最佳靈敏度的核自旋磁傳感器，能夠探測出極其微弱的磁場。用這種技術(shù)，他們極大地壓低了一類暗物質(zhì)粒子的存在區(qū)間，比以前的國際最好水平改進(jìn)了五個(gè)量級(jí)。

彭新華等人畫了兩張圖來表示這個(gè)對(duì)比。前一張是以前最高精度的實(shí)驗(yàn)、一個(gè)大型天文學(xué)觀測給出的暗物質(zhì)界線，這個(gè)界線還比較高，下邊有很多暗物質(zhì)候選粒子嬉皮笑臉地在暢游，好像在說“你來抓我啊”。后一張是彭新華等人用量子精密測量技術(shù)給出的新界線，這個(gè)界線就低得多了，下邊只有屈指可數(shù)的幾個(gè)暗物質(zhì)候選粒子，它們好像被壓在五行山下一樣愁眉苦臉。這就好比在一片魚塘里摸魚，水多的時(shí)候摸不到魚，把魚塘排干，魚就無處藏身了。

圖中橫軸表示的是暗光子的質(zhì)量，暗光子是一種超輕質(zhì)量的暗物質(zhì)粒子候選者。縱軸是暗物質(zhì)粒子跟自旋相互作用的強(qiáng)度。

更有趣的是，彭新華等人的實(shí)驗(yàn)還是一種桌面式實(shí)驗(yàn)，也就是說全部的實(shí)驗(yàn)裝置可以在一張桌子上擺下，成本比以前的大型天文學(xué)觀測低得多。所以這是一個(gè)成本極大降低而精度極大提高的進(jìn)步。

看大圖景，“工欲善其事必先利其器”是科學(xué)進(jìn)步的基本途徑，而量子精密測量就是我們最有前途的“器”。

本文摘編自《科學(xué)世界》雜志2025年第8期，文章內(nèi)容略有刪改。

實(shí)習(xí)編輯 | 范周桐