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，在測量精度的提升下，通信、導航技術也在不斷發展，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則，特別是基本量子體系的一致性，對一些關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
 

        傳統的重力儀可以等效為懸掛有質量的彈簧，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，需要對傳統重力儀不斷進行校準才能保持測量結果的準確性，并且每一次的讀數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過15年潛心研究，攻克了物質波干涉、超低頻隔振、裝備小型化等量子重力儀的關鍵技術，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，累積大量的數據，代價昂貴，使得量子理論轉化為商業現實具有挑戰性。
        伯明翰量子傳感器的突破性使之成功開啟了一條商業之路，是第一個迎接這些現實世界挑戰并進行高空間分辨率調查的項目。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，大大改進地質地形圖的繪制。新開發的量子重力梯度儀克服了振動和其他各種環境挑戰。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用領域，為底下提供一個新的視角。
 

量子重力儀為各行各業帶來便利

 
        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。而量子重力儀由于沒有振動產生的噪音，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對鐵軌進行掃描。

        在海洋導航領域，量子重力儀還可以被用于增強導航系統的有效性。在繪制出準確的重力網的前提下，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、衛星和雷達導航系統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量。
        不僅如此，量子重力儀還能夠被用在測量火山地質上，提供巖石、氣體和巖漿等地下物質的密度變化。在重力增加時，很可能意味著致密物質如巖漿的流入；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，以獲得火山內部運動更深入的理解。
        近日，國務院印發的《計量發展規劃(2021—2035年)》(以下簡稱《規劃》)中明確提出，到2035年，建成以量子計量為核心、科技水平一流、符合時代發展需求和國際化發展潮流的國家現代先進測量體系。我國量子精密測量產業發展迎來新機遇。
        計量能力和測量水平關乎社會穩定和國際地位，是科技創新、產業發展、國防建設、民生保障的重要基礎，并且隨著經濟社會的快速發展，先進制造、精密制造、精準醫療等諸多領域對精準測量測試的需求進一步增長。而利用量子狀態對環境的高度敏感，可以對時間、位置、加速度等物理量實現超越經典技術極限的量子精密測量，大幅度提升衛星導航、水下定位、醫學檢測和引力波探測等的準確性和精度。