作者：郭光燦 (中國科學技術大學中國科學院量子信息重點實驗室)
人類社會的發展進程從某種意義上就是測量技術不斷進步的過程。測量技術的核心就是追求更高的精度。當前，最精密的測量儀器是激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)。利用它人類首次觀測到了引力波事件，代表了人類當前最高的測量本領。如何進一步提高測量精度，科學家們不約而同地把目光聚向基於量子力學的量子精密測量技術。
一般情況下可以通過兩種方式來提高測量精度。第一種是製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度作為尺子，到目前通常使用的遊標卡尺甚至是激光尺子等，人類對空間尺度的測量精度得到了大大的提高；第二種方式是通過多次重複測量減少測量誤差，提高測量精度。根據數學上的中心極限定理我們知道，重複N次(N遠大於1)獨立的測量，其測量的結果滿足正態分佈，而其測量的誤差就可以達到單次測量的1/ √N 。因此，測量精度也就提高到單次測量的√N 倍。這也就是我們經常說的經典力學框架下的測量極限——散粒噪聲極限。
近年來，人們發現利用量子力學的基本屬性，例如量子相干、量子糾纏、量子統計等特性，可以實現突破經典散粒噪聲極限限制的高精度測量。因此，基於量子力學特性實現對物理量進行的高精度測量稱為量子精密測量或者量子傳感。在量子傳感中，電磁場、溫度、壓力等外界環境直接與電子、光子、聲子等體系發生相互作用並改變它們的量子狀態，最終通過對這些變化後的量子態進行檢測，實現外界環境的高靈敏度測量。而利用當前成熟的量子態操控技術，可以進一步提高測量的靈敏度和精度。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，量子糾纏還可以進一步提高測量靈敏度。如果讓N個量子“尺子”的量子態處於一種糾纏態上，外界環境對這N 個量子“尺子”的作用將相干疊加，使得最終的測量精度達到單個量子“尺”的1/N。該精度突破了經典力學的散粒噪聲極限，並提高了√N 倍，是量子力學理論範疇內所能達到的最高精度——海森伯極限。現階段已經在光子、離子阱和超導等物理系統中構造該最大糾纏態，實現了對相位測量等物理量測量的實驗演示，突破了經典測量極限，逼近或達到海森伯極限。而在數年前，激光干涉儀引力波天文臺就利用光子的壓縮態實現了噪聲的壓制，完成了突破經典極限的相位測量，該方案也是下一代激光干涉儀引力波天文臺的重要測量方式。
作為新興的研究領域，量子傳感是量子信息技術中除了量子計算、量子通信以外的重要組成部分。量子傳感除了可以突破經典力學極限的超高測量精度之外，還可以利用量子關聯來抵抗一些特定噪聲的干擾。當前，利用電子、光子、聲子等量子體系已經可以實現對時間(頻率)、電磁場、溫度、壓力、慣性等物理量的高精度量子測量，實驗演示了量子超分辨顯微鏡、量子磁力計、量子陀螺等，並應用在化學材料、生物醫學等相關學科研究中。隨著相關技術的逐漸成熟，未來幾年即將實用化的量子傳感技術將在國計民生方面得到廣泛應用。
激光干涉儀引力波天文臺(圖片來源於網絡)
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