量子精密测量：小数点后每前进一位都是一场革命 | 袁岚峰

合集 · 解读科技问题 (79)

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上一期中我们说到，现在媒体报道的量子科技其实十有八九是量子信息（quantum information），它是近四十年来发展起来的交叉学科，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（quantum communication）、量子计算（quantum computing）和量子精密测量（quantum metrology）。
在这三者之中，量子精密测量的存在感大概是最低的，大多数人可能压根都没听说过这个词。例如2016年中国发射“墨子号”量子科学实验卫星以来，几乎所有人都听说了量子通信。2020年中国发布“九章”光量子计算机以来，几乎所有人都听说了量子计算。但量子精密测量，——这是个啥？
虽然量子精密测量的知名度是最低的，但当我们要系统地介绍量子信息时，却偏偏打算从它开始，而不是量子通信或量子计算。这是因为量子精密测量有个好处：完全不需要对量子力学的原理有任何了解，就很容易理解量子精密测量的效果。它的效果就是提高对某些物理量的测量精度，这是一目了然的。任何人都能明白，提高测量精度就可能做到以前无法做到的事情。
例如小学课文里就有《纪昌学射》的故事，出自《列子·汤问》：
“甘蝇，古之善射者，彀弓而兽伏鸟下。弟子名飞卫，学射于甘蝇，而巧过其师。纪昌者，又学射于飞卫。飞卫曰：‘尔先学不瞬，而后可言射矣。’
纪昌归，偃卧其妻之机下，以目承牵挺。二年之后，虽锥末倒眦而不瞬也。以告飞卫，飞卫曰：‘未也，必学视而后可。视小如大，视微如著，而后告我。’
昌以牦悬虱于牖，南面而望之。旬日之间，浸大也；三年之后，如车轮焉；以睹余物皆丘山也。乃以燕角之弧、朔蓬之簳射之，贯虱之心而悬不绝。以告飞卫。飞卫高蹈拊膺曰：‘汝得之矣！’”
当然，《纪昌学射》只是个寓言故事，其中的科学原理完全是幻想。不过只要提高测量精度就能创造奇迹，这是古人都能明白的道理。
沿着这个方向发展下去，伽利略用望远镜看到了木星的四颗卫星和土星光环、太阳黑子等等，由此推翻了地心说，支持了哥白尼的日心说。狭义相对论和广义相对论的发现，都可以归因于更高精度的实验发现某些传统理论不能解释的现象，如地球不同方向的光速没有差别（1887年的迈克尔孙-莫雷实验）以及太阳对光线的偏折（爱因斯坦提出，爱丁顿率领天文观测队在1919年观测到）。因此对于提高测量精度的重要性，有一句话说得高屋建瓴：在小数点后每前进一位，都是一场革命。
我们在上一期文章中提到的对1.36公里外毫米级目标高分辨成像的量子精密测量技术（https://mp.weixin.qq.com/s/Y1tscP_HPVdF_DEXM12LNQ），就是这个方向的最新进展。这条线从纪昌到伽利略，再到迈克尔孙-莫雷和爱丁顿，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）等等。测量精度提高的历史，就是人类进步的历史。
在相关文献中，你会经常看到研究者说，某个物理量的经典测量极限已经达到了，再要进步只能依靠量子方法，然后指出这个物理量的量子测量极限是多少多少，总是比经典极限低得多。因此，量子精密测量代表了计量学的前进方向。即使不了解量子力学原理，你也很容易明白量子精密测量在干什么。
而相比之下，要了解量子通信或量子计算就难得多了。如果你不知道量子力学的原理，那么你连它们在做什么、在面对什么问题恐怕都很难搞明白。例如量子通信能提高通信的安全性，以前到底是哪里不安全？量子通信做了什么来提高？量子计算能对某些问题实现超高的算力，到底是对哪些问题？有多高的算力？这些都不是一句两句能说清楚的。因此，我们把量子精密测量放在最前面来介绍，下面来举几个具体的例子。
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。根据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公里的量级。所以潜艇不得不上浮，跟卫星联络接收自己的位置。是的，潜艇上浮不是为了换气（现在的技术足以自制氧气用很长时间），而是为了通信！
但军事爱好者都知道，露出水面就是潜艇最危险的时候，敌人抓你一抓一个准。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公里（https://www.eet-china.com/mp/a125917.html），所以潜艇不用上浮就知道自己在哪里。这对军事技术，称得上革命！