量子，微觀世界“最強(qiáng)之尺”

半月談?dòng)浾?張漫子

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

量子之“尺”

近百年前，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者海森堡提出“測不準(zhǔn)原理”：微觀世界中，你無法同時(shí)準(zhǔn)確測得一個(gè)微觀粒子的速度和位置。

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

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

從事量子精密測量研究的科學(xué)家調(diào)試設(shè)備 張端 攝

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

量子測量有個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢——利用微觀粒子的固有性質(zhì)測量物理量，無須依靠外部計(jì)量校準(zhǔn)，測量更為可靠，兼具穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。目前，已有科學(xué)家探索利用量子干涉效應(yīng)構(gòu)造具有超高靈敏度的磁信號(hào)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(xué)界認(rèn)為，量子精密測量是距離實(shí)用場景最近也最有可能率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的量子科技領(lǐng)域。

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

當(dāng)前，心臟磁圖(MCG)、腦磁圖(MEG)是量子磁測量技術(shù)在生物磁場成像領(lǐng)域的主要應(yīng)用場景，量子磁力計(jì)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(xì)”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(shù)幫忙，無需做CT也能診斷疾病。

走進(jìn)位于中關(guān)村科學(xué)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(hào)單人床，一名成年人可以平臥其上?！斑@是世界上第一臺(tái)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(dá)毫米量級(jí)，能夠進(jìn)行更精細(xì)化的心臟磁場分析，結(jié)合AI算法，可提取出被測者的心臟磁場信號(hào)?！蔽创趴萍紕?chuàng)始人蔡賓介紹。

這臺(tái)設(shè)備的“核心競爭力”，源自該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的原子磁力計(jì)技術(shù)。這一技術(shù)可檢測到的磁場，大約相當(dāng)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(lǐng)域，量子磁測量技術(shù)可應(yīng)用于腦疾病患者的診斷，以及神經(jīng)外科手術(shù)病灶定位等領(lǐng)域?！敝嘘P(guān)村量子信息產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副秘書長、中關(guān)村量子科技孵化器總經(jīng)理顧成建說。

更深更小更細(xì)

在醫(yī)學(xué)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(lǐng)域還有很多。

2024年5月，英國科學(xué)、創(chuàng)新和技術(shù)部宣布，已在飛機(jī)上成功演示了基于量子的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。這是全球首次公開展示此類技術(shù)，標(biāo)志著量子導(dǎo)航技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用邁出重要一步。

除增強(qiáng)導(dǎo)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(jī)、海上平臺(tái)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(jié)構(gòu)中，還可能探測到重力場或磁場的細(xì)微擾動(dòng)。

可以預(yù)見，不久的將來，越來越多的量子精密測量儀器將走出實(shí)驗(yàn)室，“量子尺”將為我們揭示更為廣闊的世界。

編輯：范鐘秀