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文/陈根
门捷列夫曾经说过“没有测量 ， 就没有科学” 。
在测量的同时 ， 现代工业和现代国防还对测量提出了更加“精密”的要求 ， 毕竟 ， 测量越精密 ， 带来的信息就可以越精确 。 实际上 ， 整个现代自然科学和物质文明就是伴随着测量精度的不断提升而发展的 。 以时间测量为例 ， 从古代的日晷、水钟 ， 到近代的机械钟 ， 再到现代的石英钟、原子钟 ， 时间测量的精度不断提升 ， 通信、导航等技术才得以不断发展 。
【（原创）从经典测量到量子测量，精度正跃升】在对更高精度测量的追求下 ， 近年来 ， 随着量子技术的进步和第二次量子革命的到来 ， 利用量子精密测量技术实现的精密仪器 ， 正在使物理量的测量达到前所未有的极限精度 。 量子精密测量有望引领新一代传感器的变革 ， 让我们以前所未有的精度对物质进行测量 。
从经典测量到量子测量
在经典力学的世界里 ， 也就是在非量子物理学中 ， “测量”被定义为一种获取一个物理系统中某些属性相关信息的行为 ， 无论这一系统是物质的还是非物质的 。 获取的信息则包括速度、位置、能量、温度、音量、方向等等 。
这种对测量的定义 ， 一方面会让人认为一个物理系统自身所具有的每一个属性都有一个确定的值 ， 甚至是一个注定的值 ， 在测量开始前就已确定 。 另一方面 ， 这种如此直观和自然的定义也会让人们觉得所有属性都是可以测量的 ， 且获得的信息都无一例外忠实地反映了被测量的属性 ， 不受测量工具和测量者的影响 。
也就是说 ， 在经典力学的世界里 ， 物体的状态是可以被测量的 ， 并且测量行为对被测对象的干扰可以忽略不计 。 然而 ， 在持续了许多个世纪以后 ， 这种对于测量的认识却因为20世纪初量子力学以及相对论的诞生彻底发生了改变 。
量子力学革命性的新理论颠覆了物理学上一切在以往看来是确定且不变的东西：时间和空间的本质 ， 同时性、同一性、局域性的概念 ， 甚至是带有很大直觉性色彩的实在性的概念 。 当然 ， 这也带来了测量的变革 。
在量子层面 ， 对一个物理量进行观察或测量 ， 得到的结果是随机的 ， 物体的状态也会在测量时突然改变 。 人们能够知道且可以肯定的 ， 是这些结果会出现的概率 。 这有点像摇彩票用的箱子里装的小球 ， 每一个球被摇出来都是随机的 ， 且摇到每个球的概率是完全相同的 。
这些概率与研究对象波的一面直接相关 。 而所谓“波” ， 就是薛定谔在德布罗意的研究基础上提出来的波——任何物体（无论是物质的还是非物质的）都有与之相关的波 。 这是一种数学上的波 ， 也叫波函数——波函数也是描述量子态的函数 。 如果我们要测量位置信息 ， 那么在掌握了波在某一处的强度后 ， 我们就能通过适当的测量得出物体在这一处出现的概率 。
因此 ， 一个物理系统的薛定谔波就可以看作一个量子态的特殊呈现 。 这种特殊呈现取决于系统中每个组成部分的位置（量子态的位置表征） 。
量子物理学认为 ， 任何一个量子态都可以用某些特殊的状态来表示 。 这些特殊状态叫本征态 ， 与所进行的测量操作直接相关 。 这些测量本征态的定义也非常简单：能得出确定的测量结果的所有状态都是本征态 。
并且 ， 由于波函数的坍缩 ， 即在测量之后 ， 被测量的物理系统会瞬间坍缩至与测量结果相对应的本征量子态 。 因此 ， 经过测量之后 ， 系统的量子态就可以被很好地确定下来并能被人们准确地获知 。
基于此 ， 通过对量子态进行操控和测量 ， 对原子、离子、光子等微观粒子的量子态进行制备、操控、测量和读取 ， 配合数据处理与转换 ， 人类在精密测量领域得以跃迁至一个全新的阶段 ， 实现对角速度、重力场、磁场、频率等物理量的超高精度精密探测 。
引领一代传感器的变革
我们已经知道 ， 量子测量就是使人们可通过操作微观粒子（如光子、原子、离子等） ， 分析待测物理量变化导致的量子态改变来实现的精密测量 。 量子测量不仅使人类在测量精度上得以飞跃 ， 更有望引领一代传感器的变革 ， 毕竟 ， 量子精密测量还需要通过工具来实现 ， 而量子测量的实用化产品就是量子传感器 。
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