量子傳感器：一把高靈敏度的“尺子”

　　人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程從某種意義上就是測(cè)量技術(shù)不斷進(jìn)步的過(guò)程。測(cè)量技術(shù)的核心就是追求更高的精度。一般情況下可以通過(guò)兩種方式來(lái)提高測(cè)量精度。第一種是制備和利用分辨率更高的“尺子”。例如從早期的用手或者腳等的長(zhǎng)度作為尺子，到目前人們通常使用的游標(biāo)卡尺甚至是激光尺子等，人類(lèi)對(duì)空間尺度的測(cè)量精度得到了大大的提高;第二種方式是通過(guò)多次重復(fù)測(cè)量減少測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。例如重復(fù)N次獨(dú)立的測(cè)量，其精度就可以達(dá)到單次測(cè)量的，也就是我們經(jīng)常說(shuō)的經(jīng)典力學(xué)框架下的測(cè)量極限——散粒噪聲極限。

　　近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)利用量子力學(xué)的基本屬性，例如量子相干，量子糾纏，量子統(tǒng)計(jì)等特性，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。因此，基于量子力學(xué)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量進(jìn)行高精度的測(cè)量稱(chēng)為量子傳感。在量子傳感中，電磁場(chǎng)、溫度、壓力等外界環(huán)境直接與電子、光子、聲子等體系發(fā)生相互作用并改變它們的量子狀態(tài)，最終通過(guò)對(duì)這些變化后的量子態(tài)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境的高靈敏度測(cè)量。而利用當(dāng)前成熟的量子態(tài)操控技術(shù)，可以進(jìn)一步提高測(cè)量的靈敏度。因此，這些電子、光子、聲子等量子體系就是一把高靈敏度的量子“尺子”——量子傳感器。

　　更重要的是，量子糾纏還可以進(jìn)一步提高測(cè)量靈敏度。如果讓N個(gè)量子“尺子”的量子態(tài)處于一種糾纏態(tài)上，外界環(huán)境對(duì)這N個(gè)量子“尺子”的作用將相干疊加，使得最終的測(cè)量精度達(dá)到單個(gè)量子“尺子”的1/N。該精度突破了經(jīng)典力學(xué)的散粒噪聲極限，并提高了倍數(shù)，是量子力學(xué)理論范疇內(nèi)所能達(dá)到的最高精度——海森堡極限。

　　作為新興的研究領(lǐng)域，量子傳感是量子信息技術(shù)的重要組成部分。量子傳感除了可以突破經(jīng)典力學(xué)極限的超高測(cè)量精度之外，還可以抵抗一些特定噪聲的干擾。當(dāng)前，利用電子、光子、聲子等量子體系已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁場(chǎng)、溫度、壓力、慣性等物理量的高精度量子傳感，實(shí)驗(yàn)演示了量子超分辨顯微鏡、量子磁力計(jì)、量子陀螺等，并應(yīng)用在材料、生物等相關(guān)學(xué)科研究中。隨著相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，量子傳感將在國(guó)計(jì)民生方面得到廣泛應(yīng)用。