量子精密測量如何重新定義世界？_風聞

2019 年，國際單位制迎來歷史性變革：千克、安培等七大基本單位徹底告別實物基準，轉而依託普朗克常數、基本電荷等永恆的自然常數定義——這意味着人類從此使用“量子規律”丈量世界，而這一切得益於量子精密測量的發展。

撰文 | 梁坤（中國科學技術大學）

我們日常生活裏最基本的單位，比如“1秒”“1米”“1千克”的背後，其實都有一套嚴謹完備的國際標準定義，它們是整個科技、工業和國家標準運行的基礎。

2018年11月16日，在法國凡爾賽舉行的第26屆國際計量大會上，來自世界各地的科學家們做出了一個重要的決定：把“千克”“安培”“開爾文”“摩爾”這四個基本單位，從依賴實物的經典定義，改為使用自然常數來重新定義。加之此前對“秒”“米”和“坎德拉”的定義，至此，國際單位制中的七個基本單位全部實現了量子化定義，不再與實物關聯。這項變革在2019年5月20日正式生效，也正是從這一天開始，人類進入了一個全新的計量時代：量子計量時代。

國際單位制以物理常數為基礎的量子化定義丨圖片來源：作者

這個決定看起來有點“技術宅”，但它的意義卻非常深遠。這一次改變，意味着人類將完全用“量子物理”和“自然規律”來定義世界的基本單位。

為什麼要改用自然常數？

在這次單位制改革之前，國際上對一些基本單位的定義主要依靠實物。以質量的單位“千克”為例，1879年，科學家用鉑銥合金做成了一個圓柱體，把它的質量定為“1千克”，這就是著名的國際千克原器。它被保存在法國國際計量局，世界各國的質量以及與質量相關的導出量（如加速度）計量都要以它為基準。

國際千克原器丨圖片來源：Wikipedia

然而，這種依賴實物參照的經典計量方式有很大的問題。

首先，國際千克原器作為一個實物標準具有唯一性，任何國家想要校準自己的計量設備，都必須參照它和它的複製品。如果這塊原器發生了污染、損壞或者遺失，就會從源頭上影響全球的質量標準。

其次，各個國家行政區的分支計量機構都需要複製出次一級的標準器並且需要定期送檢。這種國家標準-地方標準-企業標準的逐級傳遞體系，延長了量值的傳遞鏈和校準鏈。量值傳遞的層級越多，檢定系統越龐大繁雜，對時間、人力、物力的消耗越大，精度的累計損失也越大。

最後，實物標準本身不夠穩定。研究人員發現，雖然這塊合金圓柱被精心保存，但它的質量在幾十年中出現了微小變化，比它的複製品平均輕了約50微克。儘管這個數字非常小，但對於高精度的科學實驗和工業製造來説，是不能忽視的誤差。

不止是質量單位，其他一些單位，如電流的單位安培、温度的單位開爾文，也存在類似的問題。依靠實物或實驗裝置定義單位，容易受環境、材料、時間等因素的影響，無法保證全球統一、長期穩定。

因此，科學家們決定，用自然界中恆定不變的物理常數（比如真空光速c、普朗克常數h、基本電荷e等）以及微觀粒子量子化的內稟屬性（即與生俱來、不依賴外部條件或測量方式的固有特性，如微觀粒子的自旋、角動量和電荷）來重新定義基本單位。這些物理常數在任何地方、任何時間都不會發生改變，而微觀粒子的內稟屬性則具有離散化、量子化、穩定可靠和可精確復現的特點。如此，物理單位便可以通過普適的自然規律，與自然常數綁定在一起。

用它們來定義物理單位，保證了計量體系的長期穩定性、客觀通用性和未來適用性。不僅如此，以自然基準取代實物基準，意味着全世界任何實驗室，只要有合適的設備，都能在任意時刻、任意地點，通過通用的定義獨立復現相同的標準，而不再依賴某個特定實物或裝置。使量值傳遞的鏈條更短、更快、更準、更穩，而無需傳統“金字塔式的”逐級溯源或傳遞，這就是“量值傳遞扁平化”。

金字塔式量值溯源體系與扁平化量值溯源體系丨圖片來源：作者

簡而言之，國際單位制“量子化”的核心思想就是：用宇宙中永恆不變的物理規律，而非人造的參照物體，來定義我們測量世界的方式。

國際單位制的“量子化”丨圖片來源：作者

什麼是量子精密測量？

在20世紀開始的30年裏，物理學家逐漸建立了量子力學這門理論，開始理解微觀粒子（比如電子、原子、光子）是怎麼運動和相互作用的。這推動了第一次量子革命，催生出原子能、激光、半導體、核磁共振等新興技術，徹底改變了人類社會的生活方式。

如果一個物理量存在最小的、不可再分的基本單位，那這個物理量就是“量子化”的，這個基本單位就是“量子”。在經典物理中，物理量被認為可以無限細分、連續變化，例如宏觀物體的能量可以取任意實數，包括1焦耳、1.5焦耳、1/3焦耳乃至π焦耳。

但在量子物理中，量子化的物理量只能以基本單位的整數倍存在，例如電磁波的能量只能是hν的整數倍，而不能取0.5hν、1.5hν等非整數倍，hν作為基本單位被稱為“能量子”，其中h為普朗克常數，ν為電磁波的頻率。

連續的物理量與離散的物理量丨圖片來源：作者

類似地，微觀粒子的電荷量、磁通量、角動量等物理量都是量子化的，分別對應基本電荷、磁通量子、約化普朗克常數等基本單位。這些量子化的性質使得電子在原子核外運動時，只能出現在某些特定的、離散的軌道上，各個軌道上的電子具有特定的能量，這些能量值即為能級。這種不連續的“離散性”，是量子世界的基本規律。

到了20世紀90年代，科學家不再滿足於被動地“觀察量子現象”，他們開始嘗試主動操控微觀粒子，比如控制原子的能級變化、調節電子的自旋方向等。這種能力標誌着第二次量子革命的到來，也推動了量子信息技術的興起，這次革命主要包括三個方向：

1.量子計算（利用量子比特進行高速的並行運算）；

2.量子通信（實現遠距離、高保密的信息傳輸）；

3.量子精密測量（利用量子態對外部環境的敏感性，對電壓、電流、磁場等物理量進行超高精度測量）。

“量子精密測量”就是指利用這些微觀粒子的量子特性，對各種物理量進行高精度測量。這種方法和經典的測量方式不同，經典測量依靠的是機械裝置、電路或者化學反應等宏觀現象，而量子測量利用的是量子態的變化，例如電子的能級、原子的振動頻率、粒子的自旋方向等。

量子精密測量概念圖丨圖片來源：作者

一個典型的量子測量過程大致可以分成幾步：

1.初始化量子系統：把微觀粒子準備好，處於一個已知的初始狀態；

2.與待測物理量作用：如磁場、電場、温度、應力、電流等；

3.量子態發生變化：外界的影響讓粒子狀態發生可被識別的變化；

4.讀取變化：使用激光、微波等方法把這個變化“讀”出來；

5.得出物理量：通過計算，反推出被測的磁場、電流或其他物理量。

這種方式具有很多優點，其一是精度高，比傳統方法精確很多倍，有的甚至能測到十億分之一的變化；其二是靈敏度高，可以探測非常微弱的信號；其三是穩定性強，基於物理常數和微觀粒子，保證了測量的長期穩定。

目前，科學家已經發展出很多種量子測量技術，比如超冷原子鐘、原子干涉絕對重力儀、金剛石NV色心磁傳感器等，這些設備可用於時間、重力、磁場、電流等物理量的檢測。

量子精密測量技術的出現與突破，推動國際單位制向量子基準轉型，計量體系的革新則反向引領全球掀起了對量子精密測量技術的研發與應用熱潮。

高端科技，其實早已走入日常生活

量子精密測量聽起來像是實驗室裏的高端技術，但實際上，它已經在很多領域得到了應用，有些甚至和我們的日常生活密切相關。

1.原子鐘——給“秒”定標準

“秒”是時間的基本單位，現在國際上對“秒”的定義，不依賴機械鐘錶或地球自轉，而是利用了銫-133原子內部能級躍遷所對應的電磁輻射。這種輻射的波動週期非常穩定，9192631770個週期的持續時間被定義為“1秒”。銫原子鐘在1億年內的誤差不超過1秒，是現代計量學中時間基準的核心工具。

世界上第一台銫原子鐘丨圖片來源：Wikipedia

原子鐘是現代導航系統（比如GPS、北斗）的核心設備之一。導航衞星必須非常精確地知道自己在什麼時間發出信號，才能讓地面接收器準確計算出位置誤差。可以説，沒有原子鐘，就沒有精確導航。

2.原子干涉儀——能“看見”地球引力變化

原子干涉儀是一種非常靈敏的測重儀器，可以用來探測地殼運動、地下水變化，甚至捕捉地震前的預兆。它的工作原理是通過測量冷原子在自由下落過程中的干涉圖樣變化，來計算引力加速度的微小差異。

3.金剛石NV色心——用鑽石的“缺陷”測量磁場

還有一些量子傳感器，利用的是金剛石內部的一種微小缺陷，叫做NV色心。這是一種由氮原子和空位構成的結構，具有很好的量子性質。科學家可以通過激光和微波共同操縱，讓NV色心對磁場、電流、温度等物理量作出響應，從而進行測量。

這種量子傳感器可以做得非常小巧，甚至可以實現芯片化或植入細胞中，用於高精度磁場成像、工業電流監測或生物醫學檢測。

4.電力行業的新革命：量子電流互感器

在中國，科學家已經研製出全球首台基於量子測量技術的電流互感器，它利用NV色心傳感器來監測高壓電流，測量精度高、抗干擾能力強，還能遠程校準。這一設備已經在國家電網的變電站中成功掛網運行。

通過本文的介紹，相信你已經對量子精密測量的革命性潛力有了初步瞭解。那麼，如此強大的測量能力究竟需要什麼“工具包”呢？下一篇目，我們將聚焦金剛石NV色心，看看它是如何在眾多量子體系中脱穎而出，成為科學家進行量子精密測量的“趁手工具”！

出品：科普中國

監製：中國科普博覽

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