量子技術(shù)與儀器儀表

孫柏林，劉哲鳴

（中國儀器儀表學(xué)會產(chǎn)品信息工作委員會，北京 100043）

本文依據(jù)量子思維特征和量子科技的基本內(nèi)容，結(jié)合儀器儀表工程科技的案例探討量子信息技術(shù)在智能制造、科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康、國防建設(shè)等必不可少的基礎(chǔ)技術(shù)和裝備核心中的應(yīng)用。

1 量子思維的特征

1.1 量子思維

量子思維來源于海森堡的“測不準(zhǔn)原理”和量子物理學(xué)。20世紀(jì)初期，德國物理學(xué)家海森堡根據(jù)微觀粒子的特征，提出了著名的“測不準(zhǔn)原理”，即微觀粒子的“成對物理量”不可能同時具有確定的數(shù)值。例如，“位置”與“動量”，“方位角”與“動量矩”，二者之中，一個越確定，則另一個越不確定——即不可能有一種方法，同時把兩者都測定。包括海森堡在內(nèi)的20世紀(jì)20年代的諸多科學(xué)家們，如丹麥的玻爾，德國的海森伯，英國的狄拉克，奧地利的薛定鍔，法國的德布羅意等一批科學(xué)巨匠，通過對“波粒二象性”“測不準(zhǔn)原理”“幾率波”“電子自旋”“非局部作用”以及關(guān)于“能量場”“全息場”等方面的研究，創(chuàng)建了與牛頓經(jīng)典物理學(xué)相對立的量子物理學(xué)，揭示了微觀物質(zhì)世界運動的本質(zhì)與規(guī)律。由于量子物理學(xué)所涵蓋的研究對象和內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了物理學(xué)這門學(xué)科的范圍，它實際上已經(jīng)成為一種帶有世界觀性質(zhì)的更普遍的理論和思維方式。

1.2 量子思維的特征

1）認(rèn)為世界在基本結(jié)構(gòu)上是相互連接的，應(yīng)該從整體著眼看待世界，整體產(chǎn)生并決定了部分，同時部分也包含了整體的信息。

2）認(rèn)為世界是“復(fù)數(shù)”的，存在多樣性、多種選擇性，在決定之前，選擇是無限的和變化的，直到最終選擇了，其他所有的可能性才崩塌；同時，這個選擇為下一次選擇又提供了無窮多的選項。

3）認(rèn)為微觀世界的發(fā)展存在跳躍性、不連續(xù)性和不確定性。

4）認(rèn)為事物之間的因果聯(lián)系像“蝴蝶效應(yīng)”所顯示的那樣，是異常復(fù)雜的。

5）認(rèn)為事物發(fā)展的前景是不可精確預(yù)測的。

6）認(rèn)為微觀物理現(xiàn)象不可能在未被干擾的情況下被測量和觀察到，在弄清楚任何物理過程的活動中，人作為參與者總是處于決定性的地位。

2 量子信息技術(shù)的基本內(nèi)容

量子信息技術(shù)具體包括量子力學(xué)、量子通信、量子計算機、量子信息存儲、量子傳感器、量子成像、量子導(dǎo)航、量子系統(tǒng)軟件、量子網(wǎng)絡(luò)等細(xì)分領(lǐng)域。本文只就與儀器儀表相關(guān)的部分簡述。

2.1 量子計算機

量子計算機是—類遵循量子力學(xué)規(guī)律進行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。它是以量子力學(xué)原理直接進行計算的計算機。量子計算機是以量子比特存儲內(nèi)容。對經(jīng)典計算機來說，信息或者數(shù)據(jù)由二進制數(shù)據(jù)位（Bit）存儲，每一個二進制數(shù)據(jù)位由0或1表示。每一個數(shù)據(jù)位是0，或者是1，二者必取其一。在經(jīng)典計算機里，一個二進制位只能存儲一個數(shù)據(jù)，n個二進制位只能存儲n個一位二進制數(shù)或者1個n位二進制數(shù)，而在量子計算機里，一個量子比特可以存儲兩個數(shù)據(jù)，n個量子比特可以同時存儲2n個數(shù)據(jù)，從而大大提高了存儲能力。

量子計算是一種令人興奮的全新計算模式，它不同于當(dāng)前數(shù)據(jù)中心、云環(huán)境、PC和其它設(shè)備中的數(shù)字計算。數(shù)字計算需要把數(shù)據(jù)編碼為二進制數(shù)字（比特位），每個比特位處于兩個確定狀態(tài)中的一個（0或1）。然而，量子計算使用量子位，后者可以同時處于多個狀態(tài)。因此，量子位上的操作可以實現(xiàn)并行的大量計算。從本質(zhì)上說，量子計算就是并行計算的終極目標(biāo)，有著攻克傳統(tǒng)計算機無解難題的巨大潛力。

谷歌人工智能量子（Google AI Quantum）團隊最近發(fā)表了兩篇論文，介紹了他們在理解量子計算機學(xué)習(xí)任務(wù)方面取得的新進展，證明了量子計算也能解決傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)中的圖像分類問題。而且，隨著技術(shù)發(fā)展，量子計算機將在學(xué)習(xí)能力上超越經(jīng)典的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；另外，量子計算還能解決經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中一些棘手問題，比如預(yù)防出現(xiàn)模型訓(xùn)練中的梯度消失問題等。

盡管真正的量子計算機仍處于初級發(fā)展階段，但量子計算有望解決復(fù)雜的模擬問題。

2.2 量子通信

量子通信是近20年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。目前量子通信主要涉及量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。量子通信技術(shù)的特征為高安全性、高傳遞效率與高信息容納量。量子通信是一種無條件安全的通信方式。光纖網(wǎng)絡(luò)有幾億個光子、幾億個電子，人們總是可以把它分出一點點來竊聽它的狀態(tài)，而量子是一個最小的單位，無法對其進行分割，若是用單個光子來做信息傳輸，那么就沒有人可以從中分出一點去竊聽。而且，量子也不可以被復(fù)制，因為任何觀測、復(fù)制都會不可避免地影響到物理狀態(tài)。正是這樣一些基本的量子物理原理，確保了量子通信中的信息安全。

典型的量子通信系統(tǒng)包括：量子態(tài)發(fā)生器、通道和量子測量裝置。 2017年，中國量子通信商業(yè)化迎來一個節(jié)點意義的事件：國內(nèi)首個商用量子通信專網(wǎng)——山東濟南黨政機關(guān)量子通信專網(wǎng)完成測試，保密性、安全性、成碼率的測試均達到設(shè)計目標(biāo)。該網(wǎng)將接入世界第一條量子通信保密干線——“京滬干線”?！熬删€”使用了世界最前沿量子加密技術(shù)。這一量子保密通信干線從北京出發(fā)，途經(jīng)濟南、合肥，到達上海，全長2000多公里，是廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)。

2.3 量子控制

量子系統(tǒng)控制經(jīng)過了一個由可控性研究到對簡單系統(tǒng)的開環(huán)控制，然后深入到對復(fù)雜系統(tǒng)的閉環(huán)控制幾個過程。從中可以看出，量子系統(tǒng)控制的發(fā)展是同人們的需求緊密聯(lián)系的。在研究的初期，人們并未對其進行系統(tǒng)地研究，主要是在化學(xué)和物理領(lǐng)域，針對特定的實驗?zāi)康膩韺为毜牧孔舆M行控制性研究。

在量子控制問題中，縮短控制時間可以提高效率和減少環(huán)境噪聲，利用李雅普諾夫函數(shù)最快下降來加速控制優(yōu)化控制場的設(shè)計方法，可以有效節(jié)省時間，增強系統(tǒng)的魯棒性，此方法可以用于冷卻機械振子。量子李雅普諾夫控制具有節(jié)約計算資源，使用方法靈活等特點。

2.4 量子密碼

目前，量子密碼穩(wěn)定性等基本問題已經(jīng)解決。在某些領(lǐng)域，國內(nèi)已經(jīng)進行量子安全的產(chǎn)業(yè)化實驗，技術(shù)已經(jīng)接近于成熟。不過，由于缺乏量子中繼技術(shù)，量子安全還只能在一個城市的城域網(wǎng)使用，兩個城市之間還不能用。目前各地正在大力推進智慧城市建設(shè)，量子密碼在單個城市應(yīng)用中實現(xiàn)突破，已開啟一個巨大的市場。

2.5 量子傳感

相對于其他領(lǐng)域來說，量子技術(shù)將會率先在信息安全以及傳感器領(lǐng)域得到應(yīng)用。量子標(biāo)準(zhǔn)和傳感器密不可分，只有使用基于量子原理的器件才能測定量子標(biāo)準(zhǔn)。量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要一套完整標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)把很多器件搭成一個系統(tǒng)；而每一個器件的組裝、每一步運行，都需要標(biāo)準(zhǔn)支撐，唯如此才能最終達到系統(tǒng)的完整性。

另外，傳感器利用量子信息，還可以很容易傳感各種物理量，這個與現(xiàn)在的傳感器相比，不管是靈敏度、精度都有大幅度提高?，F(xiàn)已應(yīng)用到溫度傳感器、壓力傳感器、現(xiàn)在正在做一個納米級的顯微鏡，這些都是當(dāng)前量子傳感器領(lǐng)域的研究熱點。

3 量子儀器儀表案例

3.1 量子傳感器

無論是電阻應(yīng)變式傳感器、壓阻式傳感器還是其他傳感器，都離不開量子技術(shù)的有效運用。實驗已經(jīng)證明量子傳感器在針對重力、旋轉(zhuǎn)、電場和磁場等方面的靈敏度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)技術(shù)，而現(xiàn)在努力的方向就是使它們更加耐用、便攜。

在太空中，冷原子傳感器可以通過檢測引力波及驗證愛因斯坦的理論來實現(xiàn)新的科學(xué)突破。常規(guī)性地球遙感觀測也可以通過精確重力測量來實現(xiàn)，監(jiān)測的范圍包括地下水儲量、冰川及冰蓋的變化。

以英國為例，在傳感器及相關(guān)設(shè)備領(lǐng)域的從業(yè)者已經(jīng)超過73000人，對經(jīng)濟的年均貢獻也超過140億英鎊。單單是一個傳感器數(shù)據(jù)服務(wù)所衍生出來的價值就已經(jīng)是天文數(shù)字了，所以整合全產(chǎn)業(yè)鏈的重要性也就不言自明了。

量子傳感器相比于傳統(tǒng)產(chǎn)品則實現(xiàn)性能上的“大躍進”：在靈敏度、準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性上都有了不止一個量級的提高。也正因此，它的應(yīng)用場景也變得更加多樣，例如在航空航天、氣候監(jiān)測、建筑、國防、能源、生物醫(yī)療、安保、交通運輸和水資源利用等尖端領(lǐng)域都實現(xiàn)了量子傳感器的商業(yè)化應(yīng)用。

而量子傳感器的發(fā)展并非是一項技術(shù)上的單點突破，它帶動的是整個生態(tài)系統(tǒng)的建立和完善，從工程測量到數(shù)據(jù)可視化解析，各領(lǐng)域即將涌現(xiàn)的大量工作機會都表明這一趨勢已經(jīng)越來越清晰。

3.2 量子技術(shù)在計量檢測中的應(yīng)用

在計量發(fā)展過程中，計量基準(zhǔn)始終是研究重點，基本可以分為實物計量基準(zhǔn)與量子計量基準(zhǔn)。隨著實物計量基準(zhǔn)問題的突出，量子計量應(yīng)運而生，很多問題得到了有效解決。量子計量的準(zhǔn)確度更高，可以防止計量基準(zhǔn)量值由于多次逐級傳遞帶來的一系列問題，它在時間、長度、質(zhì)量、電流、溫度、光度、摩爾中都得到了有效發(fā)展，給計量檢測工作提供了極大便利。

2018年11月16日，第26屆國際計量大會（CGPM）經(jīng)各個成員國表決，最終通過了關(guān)于“修訂國際單位制（SI）”的1號決議。根據(jù)決議，SI基本單位中的千克、安培、開爾文和摩爾分別改由普朗克常數(shù)h、基本電荷常數(shù)e、玻爾茲曼常數(shù)k和阿佛伽德羅常數(shù)NA定義。用基本常數(shù)來復(fù)現(xiàn)量值成為普遍使用的計量方法，量子計量技術(shù)將扮演重要作用。

3.3 量子計量學(xué)的應(yīng)用

量子計量學(xué)是由量子力學(xué)和計量科學(xué)交叉而產(chǎn)生的一門新興學(xué)科，涉及到感知、成像、測距、測速、計時以及定位等多個應(yīng)用領(lǐng)域。近年來，隨著量子技術(shù)的快速發(fā)展及其自身的巨大應(yīng)用潛力，實物原器退出歷史舞臺，中國計量邁入量子化時代。量子計量技術(shù)被投入越來越廣泛的關(guān)注。

由于利用了量子糾纏、量子不確定性等量子物理的原理及現(xiàn)象，量子計量學(xué)可以打破現(xiàn)有計量體系的精度極限（如散粒噪聲極限、瑞利極限等），其測量精度、測量距離以及靈敏度等都將較傳統(tǒng)測量體系有著極大地提升。

從量子導(dǎo)航、量子雷達及量子成像等3個領(lǐng)域研討了量子計量技術(shù)在預(yù)警機系統(tǒng)中的應(yīng)用，由此而引發(fā)的預(yù)警機作戰(zhàn)能力提升及作戰(zhàn)方式的改變，對于空軍的軍事價值提升極其重要。

基于常數(shù)的計量基準(zhǔn)定義將給人們的生產(chǎn)生活帶來革命性的變化：

1）將改變國際計量體系和現(xiàn)有格局。新的計量體系不再依賴于通過實物基準(zhǔn)向各國傳遞量值，打破了由國際計量局作為全球測量體系量值傳遞源頭的單極中心局面，將形成一部分先進國家為主體的多級全球中心或區(qū)域中心。

2）將改變常規(guī)測量儀器的使用方式，在量子計量技術(shù)的支撐下，新一代量子測量儀器將天生帶有最高精度與自行校準(zhǔn)的功能。首先，在測量準(zhǔn)確度方面，不再需要依靠更高精度計量標(biāo)準(zhǔn)來保障其準(zhǔn)確度，因為量子測量設(shè)備本身就具有最高的測量準(zhǔn)確度，可以直接為工程應(yīng)用提供最高水平的測量服務(wù)；另外，在長期穩(wěn)定使用方面，量子測量設(shè)備不再需要每年定期校準(zhǔn)或檢定，因為量子測量設(shè)備以常數(shù)來定義測量，可以通過自身的測量方法完成自校準(zhǔn)，保證測量設(shè)備的長期可靠使用。

3）將以嵌入式量子芯片測量技術(shù)，有力支撐國防工業(yè)與武器裝備。例如：飛機結(jié)構(gòu)全壽命周期的健康監(jiān)測中，長期可靠、高精度的嵌入式傳感測量設(shè)備，高水平綜合監(jiān)測復(fù)雜健康指標(biāo)參數(shù)，為飛機維護使用與增壽提供重要技術(shù)支撐；多參數(shù)集成的新型慣性導(dǎo)航量子傳感設(shè)備將大幅提升裝備自主導(dǎo)航精度，帶來導(dǎo)航方式深刻變革；另外，航空發(fā)動機的復(fù)雜多參數(shù)監(jiān)測與試驗評價將在高精度嵌入式量子傳感器的幫助下，完成長期在線高水平監(jiān)測與維護,大幅節(jié)省校準(zhǔn)與重新組裝等帶來的大量經(jīng)濟與時間成本。

航空工業(yè)計量所利用掌握的量子測量核心技術(shù)，將測量能力向磁場等各類關(guān)鍵參數(shù)拓展，基于量子測量技術(shù)將大大提高重力場、磁場的測量精度，對大地測量、重力基準(zhǔn)圖繪制、飛行器定位、大型工事偵察等均有重要意義。

3.4 量子檢測儀

量子弱磁場共振檢測法是一種新興的快速、準(zhǔn)確、無創(chuàng)波譜檢測方法，特別適用于藥品、保健品療效對比和亞健康的檢查，其檢測項目主要有：心腦血管、骨密度、微量元素、血鉛、風(fēng)濕病、肺呼吸道、腎病、血糖、腸胃、肝膽、腦神經(jīng)、婦科、前列腺、骨病、鈣鐵鋅硒等30多種檢測項目。

人體是大量細(xì)胞的集合體，細(xì)胞在不斷地生長、發(fā)育、分化、再生、調(diào)亡，細(xì)胞通過自身分裂，不斷自我更新。成人每秒大約有2500萬個細(xì)胞在進行分裂，人體內(nèi)的血細(xì)胞以每分鐘大約1億個的速率在不斷更新，在細(xì)胞的分裂、生長等過程中，構(gòu)成細(xì)胞最基本單位的原子的原子核和核外電子這些帶電體也在一刻不停地高速運動和變化之中，也就不斷地向外發(fā)射電磁波。人體所發(fā)射的電磁波信號代表了人體的特定狀態(tài)，人體健康、亞健康、疾病等不同狀態(tài)下，所發(fā)射的電磁波信號也是不同的，如果能測定出這些特定的電磁波信號，就可以測定人體的生命狀態(tài)。

量子弱磁場共振分析儀就是解析這種現(xiàn)象的新型儀器。通過手握傳感器來收集人體微弱磁場的頻率和能量，經(jīng)儀器放大、計算機處理后與儀器內(nèi)部設(shè)置的疾病、營養(yǎng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)量子共振譜比較，用富利葉分析法分析樣品的波形是否變得混亂。根據(jù)波形分析結(jié)果，對被測者的健康狀況和主要問題做出分析判斷，并提出規(guī)范的防治建議

3.5 量子“羅盤”誕生，導(dǎo)航不再依賴衛(wèi)星

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期倫敦帝國理工學(xué)院（Imperial College）和M Squared公司的團隊成功演示了英國首個用于導(dǎo)航的量子加速度計。大多數(shù)導(dǎo)航依賴于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），例如全球定位系統(tǒng)（GPS），它們需要向圍繞地球軌道運行的衛(wèi)星發(fā)送和接收信號。量子加速度計是一種獨立的系統(tǒng)，不依賴任何外部信號。

這一點特別重要，因為衛(wèi)星信號可能因受到高層建筑等障礙物的阻擋、攔截或中斷而無法使用——從而導(dǎo)致無法精確導(dǎo)航。在英國，如果中斷衛(wèi)星服務(wù)1天將可能損失10億英鎊。

量子加速度計的精密度和準(zhǔn)確度依賴于對超冷原子特性的測量。在極低溫度下（接近絕對零度），原子表現(xiàn)為“量子”物態(tài)，像粒子又像波的雙重特性。

來自帝國理工學(xué)院冷物質(zhì)中心的Joseph Cotter博士說：“當(dāng)原子處于超冷狀態(tài)時，我們就必須用量子力學(xué)來描述它們的運動方式，這也使我們能夠制造出所謂的原子干涉儀。”

隨著原子溫度的下降，它們的波動特性將受到移動裝置加速度的影響。利用“光學(xué)標(biāo)尺”，這種加速度計就能夠非常精確地測量這些微小的變化。

為了使原子溫度降得足夠低，并在響應(yīng)加速度時探測它們的特性，這就需要非常強大且能被精確控制的激光器。

4 結(jié)束語

一場量子革命正在改變著世界。量子技術(shù)在國家發(fā)展戰(zhàn)略中的重要性日益凸顯。美國、日本等世界大國都紛紛布局投入該領(lǐng)域。當(dāng)前，在量子技術(shù)方面，一場全球性的賽跑正在進行?！傲孔影詸?quán)”成為各國科研機構(gòu)競相追逐的目標(biāo)。而中國正在這場革命中彎道超車，努力搶占量子科技創(chuàng)新的制高點。

在信息時代，量子技術(shù)一旦突破，將會在產(chǎn)業(yè)競爭中占據(jù)有利地位。把握前所未有的歷史機遇，中國正以技術(shù)打造利器，為量子科技領(lǐng)域帶來更先進的儀器成果。

中國在量子科技方面，各種類型的量子科技儀器儀表公司不斷涌現(xiàn)，這些企業(yè)以“工欲善其事，必先利其器”為指導(dǎo)，紛至沓來推出新型的量子科技產(chǎn)品，可以預(yù)期，領(lǐng)先的科技成果必將帶來更加具有引領(lǐng)性、突破性的優(yōu)勢技術(shù)，值得人們期待。