計(jì)量邁入量子時(shí)代 量子走進(jìn)科技生活

        精密測(cè)量是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，在測(cè)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(huì)生活越來(lái)越便利，同時(shí)也為科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了越來(lái)越便捷的利器。量子精密測(cè)量是利用量子力學(xué)規(guī)則，特別是基本量子體系的一致性，對(duì)一些關(guān)鍵物理量進(jìn)行高精度與高靈敏度的測(cè)量。
        2月23日，英國(guó)伯明翰大學(xué)研究人員在《自然》雜志上發(fā)表研究稱(chēng)，世界上第一臺(tái)非實(shí)驗(yàn)室條件下的量子重力梯度儀問(wèn)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(cè)微重力的變化，測(cè)量當(dāng)原子云落下時(shí)引力場(chǎng)拉力的細(xì)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(xué)家們期待已久的里程碑，其對(duì)學(xué)界、業(yè)界和國(guó)家安全等將具有深遠(yuǎn)的影響。
 

“走出實(shí)驗(yàn)室”的首臺(tái)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(guò)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(huì)受到地面振動(dòng)的影響，需要對(duì)傳統(tǒng)重力儀不斷進(jìn)行校準(zhǔn)才能保持測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且每一次的讀數(shù)都需要等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間以平均地面振動(dòng)帶來(lái)的背景噪聲的影響，并且振動(dòng)的因素不僅僅局限于駛過(guò)的卡車(chē)、火車(chē)和低強(qiáng)度的地震活動(dòng)等。
        而量子重力梯度儀只有一個(gè)整體的運(yùn)動(dòng)模式，不存在類(lèi)似彈簧的彈性特征，量子重力儀的裝置、原子團(tuán)以及探測(cè)原子下落的激光會(huì)一起運(yùn)動(dòng)，能夠消除不必要的敏感源，同時(shí)也可以抑制地面振動(dòng)等噪聲，從而提高靈敏度。量子重力儀能夠更加廣泛地運(yùn)用在更多的地方，并且能使測(cè)量更快、更有效、更精準(zhǔn)。
        2021年1月，華中科技大學(xué)引力中心團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)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(guó)首臺(tái)高精度絕對(duì)重力儀。人們可以將這種重力儀安置在飛機(jī)上，然后在這片天空下為我們的地球做一次CT，當(dāng)它對(duì)著地球進(jìn)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(shí)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(dòng)、儀器傾斜以及磁場(chǎng)和熱場(chǎng)的干擾，量子重力儀必須在一個(gè)位置探測(cè)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，累積大量的數(shù)據(jù)，代價(jià)昂貴，使得量子理論轉(zhuǎn)化為商業(yè)現(xiàn)實(shí)具有挑戰(zhàn)性。
        伯明翰量子傳感器的突破性使之成功開(kāi)啟了一條商業(yè)之路，是第一個(gè)迎接這些現(xiàn)實(shí)世界挑戰(zhàn)并進(jìn)行高空間分辨率調(diào)查的項(xiàng)目。消除由于振動(dòng)引起的噪聲將“解鎖”高空間分辨率的重力映射，大大改進(jìn)地質(zhì)地形圖的繪制。新開(kāi)發(fā)的量子重力梯度儀克服了振動(dòng)和其他各種環(huán)境挑戰(zhàn)。這一突破將使未來(lái)的重力測(cè)量更便宜、更可靠，交付速度快10倍，探測(cè)所需的時(shí)間將從一個(gè)月減少到幾天。它極有可能為重力測(cè)量開(kāi)辟一系列新的應(yīng)用領(lǐng)域，為底下提供一個(gè)新的視角。
 

量子重力儀為各行各業(yè)帶來(lái)便利

 
        量子重力儀在探測(cè)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(dá)，但由于探測(cè)深度有時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足需求，并且工程師通常只能在夜間幾小時(shí)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行測(cè)量，使之很難確認(rèn)它們的位置和評(píng)估其狀態(tài)。而量子重力儀由于沒(méi)有振動(dòng)產(chǎn)生的噪音，所以測(cè)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(chē)上，在火車(chē)行駛時(shí)就能夠?qū)﹁F軌進(jìn)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(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)的有效性。在繪制出準(zhǔn)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(dá)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(hào)，而這意味著要搬動(dòng)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(cè)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(shí)，很可能意味著致密物質(zhì)如巖漿的流入；在重力減小時(shí)，即意味著存在滲坑。通過(guò)利用測(cè)量火山表面的重力來(lái)反演地下的地球物理過(guò)程，以獲得火山內(nèi)部運(yùn)動(dòng)更深入的理解。
        近日，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)劃》)中明確提出，到2035年，建成以量子計(jì)量為核心、科技水平一流、符合時(shí)代發(fā)展需求和國(guó)際化發(fā)展潮流的國(guó)家現(xiàn)代先進(jìn)測(cè)量體系。我國(guó)量子精密測(cè)量產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來(lái)新機(jī)遇。
        計(jì)量能力和測(cè)量水平關(guān)乎社會(huì)穩(wěn)定和國(guó)際地位，是科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、國(guó)防建設(shè)、民生保障的重要基礎(chǔ)，并且隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，先進(jìn)制造、精密制造、精準(zhǔn)醫(yī)療等諸多領(lǐng)域?qū)珳?zhǔn)測(cè)量測(cè)試的需求進(jìn)一步增長(zhǎng)。而利用量子狀態(tài)對(duì)環(huán)境的高度敏感，可以對(duì)時(shí)間、位置、加速度等物理量實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典技術(shù)極限的量子精密測(cè)量，大幅度提升衛(wèi)星導(dǎo)航、水下定位、醫(yī)學(xué)檢測(cè)和引力波探測(cè)等的準(zhǔn)確性和精度。