計量邁入量子時代 量子走進科技生活

        精密測量是科學研究的基礎(chǔ)，在測量精度的提升下，通信、導(dǎo)航技術(shù)也在不斷發(fā)展，不僅使社會生活越來越便利，同時也為科學實驗提供了越來越便捷的利器。量子精密測量是利用量子力學規(guī)則，特別是基本量子體系的一致性，對一些關(guān)鍵物理量進行高精度與高靈敏度的測量。
        2月23日，英國伯明翰大學研究人員在《自然》雜志上發(fā)表研究稱，世界上第一臺非實驗室條件下的量子重力梯度儀問世。這種利用量子技術(shù)的傳感器，能夠找到隱藏在底下的物體，其工作原理是利用量子物理原理探測微重力的變化，測量當原子云落下時引力場拉力的細微變化。這種利用量子技術(shù)的傳感器可找到隱藏在地下的物體，這是科學家們期待已久的里程碑，其對學界、業(yè)界和國家安全等將具有深遠的影響。
 

“走出實驗室”的首臺量子重力儀
 

        傳統(tǒng)的重力儀可以等效為懸掛有質(zhì)量的彈簧，通過彈簧的伸縮從而反映出重力的變化，但由于彈簧的伸縮情況本身就是會受到地面振動的影響，需要對傳統(tǒng)重力儀不斷進行校準才能保持測量結(jié)果的準確性，并且每一次的讀數(shù)都需要等待足夠長的時間以平均地面振動帶來的背景噪聲的影響，并且振動的因素不僅僅局限于駛過的卡車、火車和低強度的地震活動等。
        而量子重力梯度儀只有一個整體的運動模式，不存在類似彈簧的彈性特征，量子重力儀的裝置、原子團以及探測原子下落的激光會一起運動，能夠消除不必要的敏感源，同時也可以抑制地面振動等噪聲，從而提高靈敏度。量子重力儀能夠更加廣泛地運用在更多的地方，并且能使測量更快、更有效、更精準。
        2021年1月，華中科技大學引力中心團隊經(jīng)過15年潛心研究，攻克了物質(zhì)波干涉、超低頻隔振、裝備小型化等量子重力儀的關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出我國首臺高精度絕對重力儀。人們可以將這種重力儀安置在飛機上，然后在這片天空下為我們的地球做一次CT，當它對著地球進行一番分析后，不僅能夠得知地球上的山脈、河流以及礦產(chǎn)的分布情況，同時也能夠幫助人們找到地底下的油氣資源。
        但在此之前，量子重力儀在地球物理中也不常用，為了消除振動、儀器傾斜以及磁場和熱場的干擾，量子重力儀必須在一個位置探測足夠長的時間，累積大量的數(shù)據(jù)，代價昂貴，使得量子理論轉(zhuǎn)化為商業(yè)現(xiàn)實具有挑戰(zhàn)性。
        伯明翰量子傳感器的突破性使之成功開啟了一條商業(yè)之路，是第一個迎接這些現(xiàn)實世界挑戰(zhàn)并進行高空間分辨率調(diào)查的項目。消除由于振動引起的噪聲將“解鎖”高空間分辨率的重力映射，大大改進地質(zhì)地形圖的繪制。新開發(fā)的量子重力梯度儀克服了振動和其他各種環(huán)境挑戰(zhàn)。這一突破將使未來的重力測量更便宜、更可靠，交付速度快10倍，探測所需的時間將從一個月減少到幾天。它極有可能為重力測量開辟一系列新的應(yīng)用領(lǐng)域，為底下提供一個新的視角。
 

量子重力儀為各行各業(yè)帶來便利

 
        量子重力儀在探測鐵軌涵洞上起著重要的作用。部分鐵軌涵洞被深埋在軌道之下，即便是使用探地雷達，但由于探測深度有時無法滿足需求，并且工程師通常只能在夜間幾小時的時間來進行測量，使之很難確認它們的位置和評估其狀態(tài)。而量子重力儀由于沒有振動產(chǎn)生的噪音，所以測量速度更快，而且也不需要靜止。這種量子重力儀能夠直接安裝在火車上，在火車行駛時就能夠?qū)﹁F軌進行掃描。

        在海洋導(dǎo)航領(lǐng)域，量子重力儀還可以被用于增強導(dǎo)航系統(tǒng)的有效性。在繪制出準確的重力網(wǎng)的前提下，輪船就能夠利用攜帶的量子重力儀記錄重力值并與重力網(wǎng)比較，以確定自身的位置。并且量子重力儀不像輪船的通信、衛(wèi)星和雷達導(dǎo)航系統(tǒng)甚至一切可以連接外界的工具一樣容易被非法入侵，唯一能夠顯著干預(yù)重力傳感器的方式就是改變重力信號，而這意味著要搬動一座山那么大的質(zhì)量。
        不僅如此，量子重力儀還能夠被用在測量火山地質(zhì)上，提供巖石、氣體和巖漿等地下物質(zhì)的密度變化。在重力增加時，很可能意味著致密物質(zhì)如巖漿的流入；在重力減小時，即意味著存在滲坑。通過利用測量火山表面的重力來反演地下的地球物理過程，以獲得火山內(nèi)部運動更深入的理解。
        近日，國務(wù)院印發(fā)的《計量發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》(以下簡稱《規(guī)劃》)中明確提出，到2035年，建成以量子計量為核心、科技水平一流、符合時代發(fā)展需求和國際化發(fā)展潮流的國家現(xiàn)代先進測量體系。我國量子精密測量產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來新機遇。
        計量能力和測量水平關(guān)乎社會穩(wěn)定和國際地位，是科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、國防建設(shè)、民生保障的重要基礎(chǔ)，并且隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，先進制造、精密制造、精準醫(yī)療等諸多領(lǐng)域?qū)珳蕼y量測試的需求進一步增長。而利用量子狀態(tài)對環(huán)境的高度敏感，可以對時間、位置、加速度等物理量實現(xiàn)超越經(jīng)典技術(shù)極限的量子精密測量，大幅度提升衛(wèi)星導(dǎo)航、水下定位、醫(yī)學檢測和引力波探測等的準確性和精度。