计量迈入量子时代 量子走进科技生活

        精密测量是科学研究的基础，在测量精度的提升下，通信、导航技术也在不断发展，不仅使社会生活越来越便利，同时也为科学实验提供了越来越便捷的利器。量子精密测量是利用量子力学规则，特别是基本量子体系的一致性，对一些关键物理量进行高精度与高灵敏度的测量。
        2月23日，英国伯明翰大学研究人员在《自然》杂志上发表研究称，世界上第一台非实验室条件下的量子重力梯度仪问世。这种利用量子技术的传感器，能够找到隐藏在底下的物体，其工作原理是利用量子物理原理探测微重力的变化，测量当原子云落下时引力场拉力的细微变化。这种利用量子技术的传感器可找到隐藏在地下的物体，这是科学家们期待已久的里程碑，其对学界、业界和国家安全等将具有深远的影响。
 

“走出实验室”的首台量子重力仪
 

        传统的重力仪可以等效为悬挂有质量的弹簧，通过弹簧的伸缩从而反映出重力的变化，但由于弹簧的伸缩情况本身就是会受到地面振动的影响，需要对传统重力仪不断进行校准才能保持测量结果的准确性，并且每一次的读数都需要等待足够长的时间以平均地面振动带来的背景噪声的影响，并且振动的因素不仅仅局限于驶过的卡车、火车和低强度的地震活动等。
        而量子重力梯度仪只有一个整体的运动模式，不存在类似弹簧的弹性特征，量子重力仪的装置、原子团以及探测原子下落的激光会一起运动，能够消除不必要的敏感源，同时也可以抑制地面振动等噪声，从而提高灵敏度。量子重力仪能够更加广泛地运用在更多的地方，并且能使测量更快、更有效、更精准。
        2021年1月，华中科技大学引力中心团队经过15年潜心研究，攻克了物质波干涉、超低频隔振、装备小型化等量子重力仪的关键技术，成功研制出我国首台高精度绝对重力仪。人们可以将这种重力仪安置在飞机上，然后在这片天空下为我们的地球做一次CT，当它对着地球进行一番分析后，不仅能够得知地球上的山脉、河流以及矿产的分布情况，同时也能够帮助人们找到地底下的油气资源。
        但在此之前，量子重力仪在地球物理中也不常用，为了消除振动、仪器倾斜以及磁场和热场的干扰，量子重力仪必须在一个位置探测足够长的时间，累积大量的数据，代价昂贵，使得量子理论转化为商业现实具有挑战性。
        伯明翰量子传感器的突破性使之成功开启了一条商业之路，是第一个迎接这些现实世界挑战并进行高空间分辨率调查的项目。消除由于振动引起的噪声将“解锁”高空间分辨率的重力映射，大大改进地质地形图的绘制。新开发的量子重力梯度仪克服了振动和其他各种环境挑战。这一突破将使未来的重力测量更便宜、更可靠，交付速度快10倍，探测所需的时间将从一个月减少到几天。它极有可能为重力测量开辟一系列新的应用领域，为底下提供一个新的视角。
 

量子重力仪为各行各业带来便利

 
        量子重力仪在探测铁轨涵洞上起着重要的作用。部分铁轨涵洞被深埋在轨道之下，即便是使用探地雷达，但由于探测深度有时无法满足需求，并且工程师通常只能在夜间几小时的时间来进行测量，使之很难确认它们的位置和评估其状态。而量子重力仪由于没有振动产生的噪音，所以测量速度更快，而且也不需要静止。这种量子重力仪能够直接安装在火车上，在火车行驶时就能够对铁轨进行扫描。

        在海洋导航领域，量子重力仪还可以被用于增强导航系统的有效性。在绘制出准确的重力网的前提下，轮船就能够利用携带的量子重力仪记录重力值并与重力网比较，以确定自身的位置。并且量子重力仪不像轮船的通信、卫星和雷达导航系统甚至一切可以连接外界的工具一样容易被非法入侵，唯一能够显著干预重力传感器的方式就是改变重力信号，而这意味着要搬动一座山那么大的质量。
        不仅如此，量子重力仪还能够被用在测量火山地质上，提供岩石、气体和岩浆等地下物质的密度变化。在重力增加时，很可能意味着致密物质如岩浆的流入；在重力减小时，即意味着存在渗坑。通过利用测量火山表面的重力来反演地下的地球物理过程，以获得火山内部运动更深入的理解。
        近日，国务院印发的《计量发展规划(2021—2035年)》(以下简称《规划》)中明确提出，到2035年，建成以量子计量为核心、科技水平一流、符合时代发展需求和国际化发展潮流的国家现代先进测量体系。我国量子精密测量产业发展迎来新机遇。
        计量能力和测量水平关乎社会稳定和国际地位，是科技创新、产业发展、国防建设、民生保障的重要基础，并且随着经济社会的快速发展，先进制造、精密制造、精准医疗等诸多领域对精准测量测试的需求进一步增长。而利用量子状态对环境的高度敏感，可以对时间、位置、加速度等物理量实现超越经典技术极限的量子精密测量，大幅度提升卫星导航、水下定位、医学检测和引力波探测等的准确性和精度。