袁岚峰：测量精度的提高，见证了人类文明的进步 | 科学世界·视点

上期专栏文章中说到，现在媒体报道的量子科技其实十有八九是量子信息，它是近四十年来发展起来的交叉学科，是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、量子计算和量子精密测量。三者之中，量子精密测量的存在感大概是最低的，但量子精密测量是什么呢？

提高对某些物理量的测量精度

·测量精度提高的历史，就是人类进步的历史。

上期专栏文章中提到的对1.36千米外毫米级目标高分辨成像的量子精密测量技术，就是提高对某些物理量的测量精度这个方向的最新进展。这条线从纪昌（纪昌学射）到伽利略（用望远镜发现木星的四颗卫星），再到迈克尔孙、莫雷（和迈克尔孙发现不同方向的光速没有差别）和爱丁顿（率领天文观测队在1919年观测到太阳对光线的偏折），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。

LIGO由两座天文台组成：一座位于美国路易斯安那州，一座位于美国华盛顿州（上图）。每座天文台都有两条长长的“臂”，每条臂长超过4千米。

·量子精密测量的例子

潜艇

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。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100千米的量级。所以潜艇不得不上浮，跟卫星联络接收自己的位置。

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1千米，所以潜艇不用上浮就知道自己在哪里。

卫星导航

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，测量出电磁波走过的时间，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。这其中最关键的是有是原子钟把时间测量得极其精确，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1秒。

时间单位“秒”现在就是用原子钟来定义的，1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。具体来说，“铯133”原子对应一个共振频率，用这个频率的电磁波照射铯133，铯133就会吸收能量，从原本的状态（基态）变为激发态，此时所使用的电磁波振动特定次数所用的时间就定义为1秒。

用特有频率的电磁波照射铯133原子，铯133就会吸收能量变成激发态（中图）。如果频率发生偏移，铯133不会吸收能量，不能达到激发态（上图和下图）。

为什么说，原子钟是一种量子精密测量技术？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。

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。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。

图为两台星载铷原子钟。

暗能量

我们平常接触的可见物质只占宇宙的5%，还有27%是“暗物质”。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”，它是一种让宇宙加速膨胀的能量。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，宇宙学家认为加上暗物质提供的引力才能够解释。

暗能量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，AMS）、中国科学院紫金山天文台主导的“悟空”卫星（Dark Matter Particle Explorer，DAMPE）等。

迄今为止，所有这些实验都还没有发现暗物质，但这些实验也不是一无所获，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。

利用量子精密测量技术观测暗物质

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。

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，下边有很多暗物质候选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候选粒子，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。

图中横轴表示的是暗光子的质量，暗光子是一种超轻质量的暗物质粒子候选者。纵轴是暗物质粒子跟自旋相互作用的强度。

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。

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”。

本文摘编自《科学世界》杂志2025年第8期，文章内容略有删改。

实习编辑 | 范周桐