半月談記者 張漫子

量子科學，無疑是最近曝光最為頻繁的科學領域之一。不過你可知道，除了量子通信，量子技術也能用于精密測量?

量子之“尺”

近百年前，諾貝爾物理學獎獲得者海森堡提出“測不準原理”：微觀世界中，你無法同時準確測得一個微觀粒子的速度和位置。

打個比方，如果我們需要測量一杯熱水的實時溫度，最容易想到的方式是借助溫度計?？墒?，溫度計放入水中的那一剎那，它已使水溫有所下降。雖然溫度計很快就能測出一個溫度值，但它只是我們關心的這杯熱水溫度的近似值。

科學發(fā)展至今，依賴高精度測量的領域越來越多。極弱信號、分子級空間分辨率、磁場通量……如何滿足這些精度要求在單個微觀粒子級別測量的需求?有科學家想到找神奇的量子幫忙。

從事量子精密測量研究的科學家調試設備 張端 攝

量子測量，也稱量子傳感，是指利用量子特性實現(xiàn)的超高精度傳感測量技術，其要義在于基于對中性原子、離子、光子等微觀粒子系統(tǒng)的調控和觀測，提升傳感測量的性能。

量子測量有個獨特優(yōu)勢——利用微觀粒子的固有性質測量物理量，無須依靠外部計量校準，測量更為可靠，兼具穩(wěn)定性和準確性。目前，已有科學家探索利用量子干涉效應構造具有超高靈敏度的磁信號量子探測儀器，從而打造出一把“量子尺”。

攻“尺”略地

現(xiàn)今，科學界認為，量子精密測量是距離實用場景最近也最有可能率先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的量子科技領域。

按應用領域劃分，量子精密測量可分為時間測量、磁場測量、重力測量、慣性測量等，其中磁場測量的應用范圍尤為廣闊，尤其在生物磁場成像領域，已近乎不可或缺。

當前，心臟磁圖(MCG)、腦磁圖(MEG)是量子磁測量技術在生物磁場成像領域的主要應用場景，量子磁力計以其無創(chuàng)、無輻射、無造影劑、抗電磁干擾等優(yōu)勢，成為醫(yī)療診斷中的重要工具。如果測量磁場的精度能“細”到地球磁場的十億分之一，就能夠“看到”自己心臟和大腦產(chǎn)生的磁場。有了這一技術幫忙，無需做CT也能診斷疾病。

走進位于中關村科學城的未磁科技，我國自主研發(fā)的心磁圖儀映入眼簾：它的大小接近一張小號單人床，一名成年人可以平臥其上?！斑@是世界上第一臺采用64通道心磁探測器的無液氦心磁圖儀，成像空間分辨率達毫米量級，能夠進行更精細化的心臟磁場分析，結合AI算法，可提取出被測者的心臟磁場信號?！蔽创趴萍紕?chuàng)始人蔡賓介紹。

這臺設備的“核心競爭力”，源自該團隊自主研發(fā)的原子磁力計技術。這一技術可檢測到的磁場，大約相當于地球磁場的十億分之一，極其微弱的心臟磁場、腦磁場測量均不在話下。

“在腦磁圖領域，量子磁測量技術可應用于腦疾病患者的診斷，以及神經(jīng)外科手術病灶定位等領域。”中關村量子信息產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副秘書長、中關村量子科技孵化器總經(jīng)理顧成建說。

更深更小更細

在醫(yī)學之外，量子測量從“上天”(航空航天)到“入地”(能源勘探)，大顯身手的領域還有很多。

2024年5月，英國科學、創(chuàng)新和技術部宣布，已在飛機上成功演示了基于量子的慣性導航系統(tǒng)。這是全球首次公開展示此類技術，標志著量子導航技術向實際應用邁出重要一步。

除增強導航能力外，量子精密測量還能觀測到許多常規(guī)儀器無法感知的地球奧秘。把配有這把“量子尺”的傳感器安裝在近地軌道衛(wèi)星或飛機、海上平臺上，成像的精度、靈敏度就可大為提升。如果裝在隧道或地下、水下結構中，還可能探測到重力場或磁場的細微擾動。

可以預見，不久的將來，越來越多的量子精密測量儀器將走出實驗室，“量子尺”將為我們揭示更為廣闊的世界。

編輯：范鐘秀