2019 年，國際單位制迎來歷史性變革：千克、安培等七大基本單位徹底告別實(shí)物基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)而依托普朗克常數(shù)、基本電荷等永恒的自然常數(shù)定義——這意味著人類從此使用“量子規(guī)律”丈量世界，而這一切得益于量子精密測量的發(fā)展。

撰文 | 梁坤（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

我們?nèi)粘Ｉ罾镒罨镜膯挝唬热纭?秒”“1米”“1千克”的背后，其實(shí)都有一套嚴(yán)謹(jǐn)完備的國際標(biāo)準(zhǔn)定義，它們是整個科技、工業(yè)和國家標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行的基礎(chǔ)。

2018年11月16日，在法國凡爾賽舉行的第26屆國際計量大會上，來自世界各地的科學(xué)家們做出了一個重要的決定：把“千克”“安培”“開爾文”“摩爾”這四個基本單位，從依賴實(shí)物的經(jīng)典定義，改為使用自然常數(shù)來重新定義。加之此前對“秒”“米”和“坎德拉”的定義，至此，國際單位制中的七個基本單位全部實(shí)現(xiàn)了量子化定義，不再與實(shí)物關(guān)聯(lián)。這項變革在2019年5月20日正式生效，也正是從這一天開始，人類進(jìn)入了一個全新的計量時代：量子計量時代。

國際單位制以物理常數(shù)為基礎(chǔ)的量子化定義丨圖片來源：作者

這個決定看起來有點(diǎn)“技術(shù)宅”，但它的意義卻非常深遠(yuǎn)。這一次改變，意味著人類將完全用“量子物理”和“自然規(guī)律”來定義世界的基本單位。

為什么要改用自然常數(shù)？

在這次單位制改革之前，國際上對一些基本單位的定義主要依靠實(shí)物。以質(zhì)量的單位“千克”為例，1879年，科學(xué)家用鉑銥合金做成了一個圓柱體，把它的質(zhì)量定為“1千克”，這就是著名的國際千克原器。它被保存在法國國際計量局，世界各國的質(zhì)量以及與質(zhì)量相關(guān)的導(dǎo)出量（如加速度）計量都要以它為基準(zhǔn)。

國際千克原器丨圖片來源：Wikipedia

然而，這種依賴實(shí)物參照的經(jīng)典計量方式有很大的問題。

首先，國際千克原器作為一個實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)具有唯一性，任何國家想要校準(zhǔn)自己的計量設(shè)備，都必須參照它和它的復(fù)制品。如果這塊原器發(fā)生了污染、損壞或者遺失，就會從源頭上影響全球的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

其次，各個國家行政區(qū)的分支計量機(jī)構(gòu)都需要復(fù)制出次一級的標(biāo)準(zhǔn)器并且需要定期送檢。這種國家標(biāo)準(zhǔn)-地方標(biāo)準(zhǔn)-企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的逐級傳遞體系，延長了量值的傳遞鏈和校準(zhǔn)鏈。量值傳遞的層級越多，檢定系統(tǒng)越龐大繁雜，對時間、人力、物力的消耗越大，精度的累計損失也越大。

最后，實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)本身不夠穩(wěn)定。研究人員發(fā)現(xiàn)，雖然這塊合金圓柱被精心保存，但它的質(zhì)量在幾十年中出現(xiàn)了微小變化，比它的復(fù)制品平均輕了約50微克。盡管這個數(shù)字非常小，但對于高精度的科學(xué)實(shí)驗和工業(yè)制造來說，是不能忽視的誤差。

不止是質(zhì)量單位，其他一些單位，如電流的單位安培、溫度的單位開爾文，也存在類似的問題。依靠實(shí)物或?qū)嶒炑b置定義單位，容易受環(huán)境、材料、時間等因素的影響，無法保證全球統(tǒng)一、長期穩(wěn)定。

因此，科學(xué)家們決定，用自然界中恒定不變的物理常數(shù)（比如真空光速c、普朗克常數(shù)h、基本電荷e等）以及微觀粒子量子化的內(nèi)稟屬性（即與生俱來、不依賴外部條件或測量方式的固有特性，如微觀粒子的自旋、角動量和電荷）來重新定義基本單位。這些物理常數(shù)在任何地方、任何時間都不會發(fā)生改變，而微觀粒子的內(nèi)稟屬性則具有離散化、量子化、穩(wěn)定可靠和可精確復(fù)現(xiàn)的特點(diǎn)。如此，物理單位便可以通過普適的自然規(guī)律，與自然常數(shù)綁定在一起。

用它們來定義物理單位，保證了計量體系的長期穩(wěn)定性、客觀通用性和未來適用性。不僅如此，以自然基準(zhǔn)取代實(shí)物基準(zhǔn)，意味著全世界任何實(shí)驗室，只要有合適的設(shè)備，都能在任意時刻、任意地點(diǎn)，通過通用的定義獨(dú)立復(fù)現(xiàn)相同的標(biāo)準(zhǔn)，而不再依賴某個特定實(shí)物或裝置。使量值傳遞的鏈條更短、更快、更準(zhǔn)、更穩(wěn)，而無需傳統(tǒng)“金字塔式的”逐級溯源或傳遞，這就是“量值傳遞扁平化”。

金字塔式量值溯源體系與扁平化量值溯源體系丨圖片來源：作者

簡而言之，國際單位制“量子化”的核心思想就是：用宇宙中永恒不變的物理規(guī)律，而非人造的參照物體，來定義我們測量世界的方式。

國際單位制的“量子化”丨圖片來源：作者

什么是量子精密測量？

在20世紀(jì)開始的30年里，物理學(xué)家逐漸建立了量子力學(xué)這門理論，開始理解微觀粒子（比如電子、原子、光子）是怎么運(yùn)動和相互作用的。這推動了第一次量子革命，催生出原子能、激光、半導(dǎo)體、核磁共振等新興技術(shù)，徹底改變了人類社會的生活方式。

如果一個物理量存在最小的、不可再分的基本單位，那這個物理量就是“量子化”的，這個基本單位就是“量子”。在經(jīng)典物理中，物理量被認(rèn)為可以無限細(xì)分、連續(xù)變化，例如宏觀物體的能量可以取任意實(shí)數(shù)，包括1焦耳、1.5焦耳、1/3焦耳乃至π焦耳。

但在量子物理中，量子化的物理量只能以基本單位的整數(shù)倍存在，例如電磁波的能量只能是hν的整數(shù)倍，而不能取0.5hν、1.5hν等非整數(shù)倍，hν作為基本單位被稱為“能量子”，其中h為普朗克常數(shù)，ν為電磁波的頻率。

連續(xù)的物理量與離散的物理量丨圖片來源：作者

類似地，微觀粒子的電荷量、磁通量、角動量等物理量都是量子化的，分別對應(yīng)基本電荷、磁通量子、約化普朗克常數(shù)等基本單位。這些量子化的性質(zhì)使得電子在原子核外運(yùn)動時，只能出現(xiàn)在某些特定的、離散的軌道上，各個軌道上的電子具有特定的能量，這些能量值即為能級。這種不連續(xù)的“離散性”，是量子世界的基本規(guī)律。

到了20世紀(jì)90年代，科學(xué)家不再滿足于被動地“觀察量子現(xiàn)象”，他們開始嘗試主動操控微觀粒子，比如控制原子的能級變化、調(diào)節(jié)電子的自旋方向等。這種能力標(biāo)志著第二次量子革命的到來，也推動了量子信息技術(shù)的興起，這次革命主要包括三個方向：

1.量子計算（利用量子比特進(jìn)行高速的并行運(yùn)算）；

2.量子通信（實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高保密的信息傳輸）；

3.量子精密測量（利用量子態(tài)對外部環(huán)境的敏感性，對電壓、電流、磁場等物理量進(jìn)行超高精度測量）。

“量子精密測量”就是指利用這些微觀粒子的量子特性，對各種物理量進(jìn)行高精度測量。這種方法和經(jīng)典的測量方式不同，經(jīng)典測量依靠的是機(jī)械裝置、電路或者化學(xué)反應(yīng)等宏觀現(xiàn)象，而量子測量利用的是量子態(tài)的變化，例如電子的能級、原子的振動頻率、粒子的自旋方向等。

量子精密測量概念圖丨圖片來源：作者

一個典型的量子測量過程大致可以分成幾步：

1.初始化量子系統(tǒng)：把微觀粒子準(zhǔn)備好，處于一個已知的初始狀態(tài)；

2.與待測物理量作用：如磁場、電場、溫度、應(yīng)力、電流等；

3.量子態(tài)發(fā)生變化：外界的影響讓粒子狀態(tài)發(fā)生可被識別的變化；

4.讀取變化：使用激光、微波等方法把這個變化“讀”出來；

5.得出物理量：通過計算，反推出被測的磁場、電流或其他物理量。

這種方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，其一是精度高，比傳統(tǒng)方法精確很多倍，有的甚至能測到十億分之一的變化；其二是靈敏度高，可以探測非常微弱的信號；其三是穩(wěn)定性強(qiáng)，基于物理常數(shù)和微觀粒子，保證了測量的長期穩(wěn)定。

目前，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)展出很多種量子測量技術(shù)，比如超冷原子鐘、原子干涉絕對重力儀、金剛石NV色心磁傳感器等，這些設(shè)備可用于時間、重力、磁場、電流等物理量的檢測。

量子精密測量技術(shù)的出現(xiàn)與突破，推動國際單位制向量子基準(zhǔn)轉(zhuǎn)型，計量體系的革新則反向引領(lǐng)全球掀起了對量子精密測量技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用熱潮。

高端科技，其實(shí)早已走入日常生活

量子精密測量聽起來像是實(shí)驗室里的高端技術(shù)，但實(shí)際上，它已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，有些甚至和我們的日常生活密切相關(guān)。

1.原子鐘——給“秒”定標(biāo)準(zhǔn)

“秒”是時間的基本單位，現(xiàn)在國際上對“秒”的定義，不依賴機(jī)械鐘表或地球自轉(zhuǎn)，而是利用了銫-133原子內(nèi)部能級躍遷所對應(yīng)的電磁輻射。這種輻射的波動周期非常穩(wěn)定，9192631770個周期的持續(xù)時間被定義為“1秒”。銫原子鐘在1億年內(nèi)的誤差不超過1秒，是現(xiàn)代計量學(xué)中時間基準(zhǔn)的核心工具。

世界上第一臺銫原子鐘丨圖片來源：Wikipedia

原子鐘是現(xiàn)代導(dǎo)航系統(tǒng)（比如GPS、北斗）的核心設(shè)備之一。導(dǎo)航衛(wèi)星必須非常精確地知道自己在什么時間發(fā)出信號，才能讓地面接收器準(zhǔn)確計算出位置誤差。可以說，沒有原子鐘，就沒有精確導(dǎo)航。

2.原子干涉儀——能“看見”地球引力變化

原子干涉儀是一種非常靈敏的測重儀器，可以用來探測地殼運(yùn)動、地下水變化，甚至捕捉地震前的預(yù)兆。它的工作原理是通過測量冷原子在自由下落過程中的干涉圖樣變化，來計算引力加速度的微小差異。

3.金剛石NV色心——用鉆石的“缺陷”測量磁場

還有一些量子傳感器，利用的是金剛石內(nèi)部的一種微小缺陷，叫做NV色心。這是一種由氮原子和空位構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，具有很好的量子性質(zhì)。科學(xué)家可以通過激光和微波共同操縱，讓NV色心對磁場、電流、溫度等物理量作出響應(yīng)，從而進(jìn)行測量。

這種量子傳感器可以做得非常小巧，甚至可以實(shí)現(xiàn)芯片化或植入細(xì)胞中，用于高精度磁場成像、工業(yè)電流監(jiān)測或生物醫(yī)學(xué)檢測。

4.電力行業(yè)的新革命：量子電流互感器

在中國，科學(xué)家已經(jīng)研制出全球首臺基于量子測量技術(shù)的電流互感器，它利用NV色心傳感器來監(jiān)測高壓電流，測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)，還能遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。這一設(shè)備已經(jīng)在國家電網(wǎng)的變電站中成功掛網(wǎng)運(yùn)行。

通過本文的介紹，相信你已經(jīng)對量子精密測量的革命性潛力有了初步了解。那么，如此強(qiáng)大的測量能力究竟需要什么“工具包”呢？下一篇目，我們將聚焦金剛石NV色心，看看它是如何在眾多量子體系中脫穎而出，成為科學(xué)家進(jìn)行量子精密測量的“趁手工具”！

出品：科普中國

監(jiān)制：中國科普博覽


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來源: 返樸

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