量子技术及其在计量检测中的应用

袁延林

（十堰市计量检定测试所，湖北十堰，442001）

量子技术及其在计量检测中的应用

袁延林

（十堰市计量检定测试所，湖北十堰，442001）

充分利用量子技术可增强计量检测工作的有效性。概括了量子技术机器的应用，并在此基础上阐述了该技术在计量检测工作中的应用情况。论述表明：量子技术在量子密码、量子计算、量子模拟、量子度量学等领域发展迅速，且在传感器、量子计算机等领域有效解决了物理量测量的诸多问题，为计量检测工作提供了极大便利。

量子技术；计量检测；测量；传感器

引言

量子信息属于新兴学科，是由量子物理与信息技术结合发展而成的，量子通信与量子计算是其两大主要领域[1]。其中量子通信包括量子密码、量子隐形传态等，而量子计算机与量子算法都隶属于量子计算。计量测试工作有着很强的技术性要求，只有不断引进和应用新技术，才能保证测量准确性。

1 量子技术概述

1.1 量子密码技术

通过公开信道完成安全密钥分发，是量子密码技术的重要表现。量子密码技术拥有丰富的技术含量和全面的功能，其中很多关键技术都是自主研发的，然而系统安全性还有待检验，性能实用性还有待加强，行业标准仍需要继续完善。

1.2 量子计算

当前对量子计算的研究以计算模式、软件、算法、硬件等为主，其中计算模式包括标准模式、拓扑模式、绝热模式、基于测量的模式[2]。

标准量子计算模式与经典计算机理论相似，需解决纠错问题，但它所面临的纠错问题危害更大：量子错误本身是一个不可操控的过程，持续的量子错误出现后，量子相干性将尽失，量子计算的优势也将不复存在。量子退相干是量子错误的统称，量子纠错码是解决量子退相干的重要手段。当前，所有传统纠错码几乎都有了对应的量子情况。成功的量子计算拥有总的图像，在这一物理图像下，量子计算的物理实验问题将更加清晰。

1997年，Kitaev首次提出了拓扑量子计算模式，其中阿贝尔任意子能够编码qubit信息，它的交换符合辩群规则，相互交换可以完成逻辑门操作，在干涉任意子之后就能得出计算结果。表征量子信息的量子态基本不被局域噪声影响，天然容错功能很强。

Goldstone等提出了绝热量子计算模式，利用绝热演化特征可以使量子幺正变换得以实现。当系统被冷却到零温，将处于体系基态；当系统哈密顿量参数发生变化，体系将会发生相应变化。与此相反，若基态与激发态没有在系统中进行能级交叉，同时绝热没有发生演化，那么系统量子将仍是基态，因为演化后的基态已相差一个幺正变换，所以绝热过程能够实现幺正变换。

基于测量的量子计算模式主要是为了简化操作过程，拥有其独特点。在计算初始阶段，需要制备超大的纠缠态（即图态），其制备相对容易，在图态进行局域测量及经典通信就可证明逻辑门操作[3]。局域测量及经典通信也相对简单。

1.3 量子模拟

有效利用人工构建的量子多系统实验平台，对研究操作存在一定困难的物理系统进行有效模拟，进而将这一过程取得的有效信息用于被模拟的物理系统中，使其得到加强，这一过程即称为量子模拟。当前原子、离子、电子是进行量子模拟的物理平台。冷原子由于其自身优势，在系统中拥有优越地位。

1.4 量子度量学

从用手脚到用直尺、游标卡尺等进行的长度测量，测量精度得到极大增强。目前人们利用光的干涉等来提高测量精度。当前对量子度量学的研究以原子钟、量子成像等为主。

量子力学、微波波谱学使得原子钟得以实现，时间计量精度得以提高，更加准确的时间频率标准形成。Rabi于1936年提出了原则分子束谐振技术理论，促进了原子跃迁成为频率标准的可能性；Smith和Lyon于1948年基于Rabi理论制成氨分子钟，但其长期稳定度小，没有实用价值[4]。在科学技术不断发展的过程中，原子钟的进度得到很大提高。飞秒激光的出现，使得利用拍频就能测量激光绝对频率，光频、飞秒光梳结合也得以实现。

通过非经典光场的特殊形式，可以促进任意光学相位的高精密测量，这种测量使得标准量子极限得以突破。量子成像是利用量子光场得以实现的超高分辨率成像。量子度量学通过对量子纠缠等的充分运用，使得更高精度的测量方法及技术应运而生，但对于其在具体实践中的应用还需要继续探究。

2 量子技术在计量检测工作中的应用

计量与测量工作的精准度是检测的关键要素，地位非常重要。当前，除了计量测试精准度之外，基本计量测试已用于生物医学、环境保护、国防社会安全等领域。

在计量发展过程中，计量基准始终是研究重点，基本可以分为实物计量基准与量子计量基准。随着实物计量基准问题的突出，量子计量应运而生，很多问题得到了有效解决。量子计量的准确度更高，可以防止计量基准量值多次逐级传递带来的一系列问题，它在时间、长度、质量、电流、温度、光度、摩尔中都得到了有效发展，给计量检测工作提供了极大便利。

2.1 计量检测技术

在计量检测中，量子技术的应用使得测力范围两端的比达到1016：对于轧钢机压制力的测量，当前可以达到60 MN，而测量材料性能的巨型试验机达到100 MN，生物力学的动物肌肉纤维拉力是10 nN。在量子技术以及计算机技术的发展过程中，测力计量技术得以拓展[5]。我国计量院研制的20 MN基准测力机是当前国际上最大的液压式力标准机，其力值确定度是0.01%。由于液压式力标准机花费较为昂贵，所需技术也具有一定难度，所以目前使用其进行大力值计量标准的只有少数几个国家。

该设备主要运用帕斯卡原理，首次在单缸结构的非旋转工作缸塞系统中使用静压润滑技术，可以说在全球大力值测力领域中居于领先水平。20 MN基准测力机以及相应的剂量检定系统在很大程度上适应了轧钢工业商场、大型材料试验机等在力值计量准确测量方面的需求，同时对于数十万吨级以上船舶的锚链试验、地质结构、地震研究，也都拥有了精密的检测手段。

当前我国公路建设迅速发展，需要更高的计量检测技术，这在一定程度上促进了量子技术的有效应用。例如，地质勘测、土建施工、测量土壤承载力的便携式触探头贯入仪、测力仪，使得土质的现场快速评定拥有了检测手段。

建筑工程往往需要测量桩基承载能力。由于桩子在锤击下的冲击力贯入地基，利用测力值及贯入度就能够通过波动方程计算单桩承载力，进而对桩基质量进行有效评判。用桩量随着建筑工业的发展得到了极大提升，而量子计量技术的发展使得桩子的纵向承载力测量可以最为准确和有效，最终确保建筑工程质量。

2.2 传感器

在现代计量检测工作中，需要使用获取和转化力值的测力传感器，它主要把机械量或几何量有效转换成电学量，进而有效测量。

如图1所示，电阻应变式传感器在测力工作中较为常见，当金属丝在外力作用下机械变形时，它的电阻值也发生了变化，再加上电阻应变效应，测量将针对电量输出。对于压阻式传感器而言，主要运用的是压阻效应，即当半导体材料受到应力时，与此相应的电阻率也将改变，测量也将针对电量输出。至于电位器式传感器，则将电刷相对于电阻元件的运动变为与其有函数关系的电阻或电压的输出。

在上述传感器中，电阻式传感器相对结构简单、灵敏度高、抗干扰能力强，因此在机械量、几何量的测量中应用广泛。电容、光纤等类型的传感器可用于不同应用领域的测量。对于测力传感器而言，只有当与其相配套的高精度数字二次仪表的分辨率、准确率得到极大增强时，其自身的检测手段、数据处理或控制方法才会得到有效发挥，其自身性能方能被极大优化。

量子技术的发展和应用使得高精度数字二次仪表线路中的高集成化电路、微机都得到了广泛应用。测力技术利用计算机控制促进了自身全自动化检测的进一步实现，测量准确度得以改变，检测效力得以增强。在科学技术迅速发展的今天，计算机平台技术在自动化测量中的有效应用，以及模块化、高集成化对测力计量工作有效开展的促进，自动化测量及控制技术必将得到更加广泛的应用。量子光纤水听器、量子光纤陀螺仪等光纤传感器在灵敏度上要远远优于传统光纤传感器，在提高对敌舰艇的探测灵敏度、导航系统的精确度等方面拥有较好的应用前景。

因此，致力于开发探测精确度、灵敏度更高的光纤传感器，能够有效增强我国的信息技术水平。无论是电阻应变式传感器、压阻式传感器还是其他传感器，都离不开量子技术的有效运用。

2.3 量子计算机

图1 量子传感器类型及其应用领域

如图2所示，量子计算机与经典计算机相比，其指数、非指数、相对黑盒指数都得到了加速。量子计算机有望把NP问题变换为相对容易解决的P问题。量子算法不是通过将指数算法转化成多项式算法来进行加速的，而是把需要N步的计算，缩小为 n 步。计算机科学中的黑盒是一段程序，它主要进行任务的执行，然而对于量子计算机来说，它则是幺正变量。对一个很大的整数，即使使用高性能超级并行计算机，在一定时间内分解为两个素数相乘仍然存在一定困难，所以长期以来，RSA密码系统在计算机上被认为是安全的。

Shor 博士通过实验，证明使用量子计算机，运用多项式的时间，即可以最大概率有效分解任意大整数，那么RSA密码系统的安全性因此遭到威胁。在量子计算机当前的发展过程中，由于环境的影响，成功有效的量子算法还相对有限。受到当前量子器件最多只能有7个量子位等因素的制约，使其还有待加强。因此，必须加强量子技术在计量检测中的有效应用，才能真正加强我国的计量检测实力。

图2 量子计算机的实施方案

3 结语

量子储存器拥有很强的储存能力，量子计算具有平行性、全局性，有的量子算法还拥有加速能力，这些优势特点极大地促进了计量测试工作的开展，随着未来科学技术的进步，这些优势还将更加凸显，从而更好地促进计量技术工作的发展。

[1]胡和平. 测力计量技术[J]. 计量与测试技术, 2013, 40(2):30.

[2]王锦清. 浅谈标准测力仪检定法在机动车检测专用轴(轮)重仪计量工作中的应用[J]. 福建交通科技, 2015(2): 95-96.

[3]周正威, 陈巍, 孙方稳, 等. 量子信息技术纵览[J]. 科学通报, 2012(17): 1498-1525.

[4]郭光灿. 量子信息技术[J]. 中国科学院院刊, 2002, 17(5): 521-525.

[5]吴国林. 量子技术对于低碳技术的意义[J]. 苏州大学学报: 哲学社会科学版, 2011, 32(3): 8-12.

Quantum Technology and its Applications on Measurement and Inspection

YUAN Yan-lin
(Shiyan Measurement and Testing Institute, Shiyan, Hubei,442001, China)

Making full use of quantum technology is helpful to enhance the effectiveness of measurement and inspection works. Based on the generalization of quantum technology, the present situation of the applications of such a technology in the measurement and inspection works is expounded. The discussion shows that, quantum technology has developed rapidly in the fields of quantum cryptography, quantum computation, quantum simulation, quantum metrology and so on. Applications of quantum technology in the fields such as sensor and quantum computer effectively solve the physical measurement of the many issues, providing great convenience for the measurement and inspection works.

Quantum Technology; Measurement and Inspection; Measurement; Sensor

TB9

A

2095-8412 (2016) 06-1284-04

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.063

袁延林(1968-)，男，本科，计量工程师，长期从事测量技术研究，擅长测力计量检测工作。