当你听到“量子科技”时，是否只会想到那些令人眼花缭乱的概念：量子通信、量子计算？这两项技术无疑已经成为媒体的宠儿，尤其是自2016年中国发射“墨子号”量子科学实验卫星以来，量子通信就几乎成了高频的媒体名词。而2020年，中国发布九章量子计算机后，量子计算也进入了公众视野。然而，在这三大量子科技领域中，有一个“低调”得多，却同样潜力巨大——它就是量子精密测量。

可能你会问：“量子精密测量，这是什么？我听都没听说过。”别担心，今天我们就从这一看似不起眼的领域出发，带你走进量子科技的奇妙世界。

量子精密测量：看似简单，实则深刻

量子精密测量的一个最大特点是：它的效果非常直观且易于理解——它能显著提高物理量测量的精度。如果你从来没有接触过量子物理学的原理，也完全可以理解这一点：提高测量精度，意味着我们能够做到以前无法实现的事情。想象一下，如果你能更加精准地测量潜艇的位置信息，它就能在水下航行100天而不需要浮出水面，那该多么神奇！而量子精密测量技术，正是使这种梦想成真的关键。

目前，经典的惯性导航系统在水下航行时存在一定的定位误差。根据公开的报道，最先进的惯性导航技术，在潜艇水下航行100天后，定位误差可能达到100公里。这意味着，潜艇不得不浮出水面与卫星联络，以确认自己的位置——而这也正是潜艇暴露在敌人监视下的最大隐患。

然而，利用量子陀螺仪和量子重力仪，这些技术依赖于量子效应（如原子自旋和冷原子干涉效应），我们可以实现超高灵敏度的惯性测量。理论上，这些技术能够将水下潜艇的定位误差降到1公里以内，这意味着潜艇可以在水下长期航行而无需浮出水面，从而保持隐秘性。这项技术的应用不仅会在军事领域带来革命性变化，也会影响到其他精密导航的领域。

“精密”对于计时的意义

有趣的是，量子精密测量其实已经悄悄进入了我们的日常生活，那就是卫星导航系统。全球四大卫星导航系统——中国的北斗、美国的GPS、俄罗斯的格罗纳斯、欧洲的伽利略——都依赖于精确的时间测量来定位物体。通过发射信号并测量信号到达的时间，卫星系统可以计算出物体的确切位置。

而原子钟，正是这些导航系统的核心。原子钟的时间测量精度极高，以至于人类目前的标准时间单位——秒，就是基于原子钟的定义。它的精准程度可以达到每秒“跳动”92亿多次，即使你听不懂这些技术细节，也能理解它在实际应用中的重要性。

当前，北斗三号卫星上的铷钟精度可以达到每天100亿分之5秒，这一精度处于国际领先水平。正是这种超高精度的原子钟，使得北斗系统的定位精度逐步赶超其他卫星系统。

量子精密测量，如何影响宇宙观测

量子精密测量的应用远不止于此。它还可以用来解答一些宇宙中的巨大谜题，比如暗物质。目前的宇宙学理论认为，宇宙中有68%的质量是“暗能量”和“暗物质”，而我们对暗物质的理解仍然非常有限。尽管暗物质本身无法被直接观测，但它通过引力等方式影响着宇宙中的物质。

目前，世界各地的科学家们正在进行大量实验，试图探测暗物质的存在。中国科学技术大学的彭新华教授团队便利用量子精密测量技术，开发出了一种新的自旋放大效应，这使他们能够探测到极其微弱的磁场，并在这个过程中有效压低了暗物质粒子存在的可能性。这项研究将“暗物质”的存在区间压缩了五个量级，为我们理解暗物质提供了重要线索。

有趣的是，这项突破性的实验是通过桌面级设备完成的，相比以往需要庞大天文观测的实验，成本低廉，效率高。虽然目前这项研究还未能发现暗物质，但它为未来的探索打下了坚实的基础，甚至为可能的诺贝尔奖奠定了基础。

从军事应用到日常导航，再到解答宇宙奥秘，量子精密测量正逐渐展现出它改变世界的潜力。它不仅能提高我们对物理量的精确测量，开创新的科技应用，还可能为未来的科学革命铺平道路。量子精密测量技术，正如一把锋利的“科学工具”，为我们解锁更加广阔的科技天地。

当你每天使用卫星导航时，或许已经在不经意间体验到了量子精密测量的成果。随着量子技术的不断发展，它将在未来的科学领域中发挥越来越重要的作用，而我们正站在这场科技革命的起点。

作者：《你也可以理解量子信息》风云际会

审核：罗会仟 中科院物理所研究员

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来源: 星空计划

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