量子计量促进计量学领域的变革

发布时间:2025-04-18

        量子计量:量子计量是利用量子性质进行高精度和高灵敏度测量的学科,经典计量学是研究各种参数估计任务中可实现的最高精度,并研究达到该精度的测量方案。最初计量学主要研究经典或半经典系统的测量,在经典估计理论中,中心极限定理揭示了被测量的最小统计误差与重复测量次数的均方根倒数成正比,该误差极限被称为散粒噪声极限。而量子计量学与量子信息科学紧密联系,例如当具有完全纠缠的多体量子态应用于待测量或估计的参量时,可达到的最小误差将最终与成正比,达到量子测量的最基本极限即海森堡极限。量子克拉美罗界限和量子费舍尔信息是量子计量研究中的基本物理量,量子克拉美罗界限表示了任何无偏估计量的方差下限,量子费舍尔信息理论给出了估计未知参数的精度时理论上可以实现的测量极限,它的倒数给出了量子克拉美罗界限。

        量子计量的关键技术:一是量子传感器:利用量子纠缠或叠加来增强灵敏度,用于磁场、温度、压力等测量。二是量子成像:通过利用光的量子态如纠缠光子,实现超越经典衍射极限的成像分辨率。三是量子时钟:利用原子或离子跃迁等超精确量子现象提供的频率标准,极其精确地测量时间。

量子计量的应用在基础科学研究中精确测量时间、频率和重力场等物理量;在高新技术产业的半导体制造、医学成像、导航和定位系统等领域的应用;在环境保护和能源领域的核能安全监测、可再生能源研究等方面的应用等。

时间计量:量子钟是量子计量在时间测量方面的典型应用。它利用原子的量子跃迁来定义时间的基本单位 秒。目前,最先进的光晶格钟基于锶原子的光学跃迁,其精度可达到每 100 亿年误差不超过 1 秒,为全球卫星导航系统、通信网络等提供了高精度的时间基准。

长度计量:基于量子干涉原理的光学干涉仪可以实现对长度的高精度测量。例如,激光干涉引力波天文台(LIGO)利用激光在长达 4 公里的干涉臂中传播,通过检测干涉条纹的变化来测量引力波引起的空间微小形变,精度可达 10 的 - 18 次方米量级,这也是量子计量技术在天文学领域的重要应用。

质量计量:量子计量可通过精确测量物体的惯性质量或引力质量来实现。例如,利用原子干涉仪测量原子在重力场中的加速度,进而推算出物体的质量。此外,基于普朗克常数的重新定义,通过精确测量电子的电荷、频率等量子物理量,也可以实现对质量的量子计量,使质量单位 “千克” 的定义更加精确和稳定。

量子计量发展趋势随着量子技术的不断发展,量子计量有望在更多领域得到应用和推广。国际计量体系正从基于经典物理的实物标准向量子标准发展变革。量子标准将计量单位与基本物理常数联系在一起,利用量子现象来复现计量单位,发展高精密量子测量方法是未来计量学的发展方向,量子计量技术的不断进步也将促使计量学领域进行全面的变革,为建立更加精确、统一的计量体系奠定基础。