量子技术与仪器仪表

孙柏林，刘哲鸣

（中国仪器仪表学会产品信息工作委员会，北京 100043）

本文依据量子思维特征和量子科技的基本内容，结合仪器仪表工程科技的案例探讨量子信息技术在智能制造、科学研究、环境监测、医疗健康、国防建设等必不可少的基础技术和装备核心中的应用。

1 量子思维的特征

1.1 量子思维

量子思维来源于海森堡的“测不准原理”和量子物理学。20世纪初期，德国物理学家海森堡根据微观粒子的特征，提出了著名的“测不准原理”，即微观粒子的“成对物理量”不可能同时具有确定的数值。例如，“位置”与“动量”，“方位角”与“动量矩”，二者之中，一个越确定，则另一个越不确定——即不可能有一种方法，同时把两者都测定。包括海森堡在内的20世纪20年代的诸多科学家们，如丹麦的玻尔，德国的海森伯，英国的狄拉克，奥地利的薛定锷，法国的德布罗意等一批科学巨匠，通过对“波粒二象性”“测不准原理”“几率波”“电子自旋”“非局部作用”以及关于“能量场”“全息场”等方面的研究，创建了与牛顿经典物理学相对立的量子物理学，揭示了微观物质世界运动的本质与规律。由于量子物理学所涵盖的研究对象和内容远远超出了物理学这门学科的范围，它实际上已经成为一种带有世界观性质的更普遍的理论和思维方式。

1.2 量子思维的特征

1）认为世界在基本结构上是相互连接的，应该从整体着眼看待世界，整体产生并决定了部分，同时部分也包含了整体的信息。

2）认为世界是“复数”的，存在多样性、多种选择性，在决定之前，选择是无限的和变化的，直到最终选择了，其他所有的可能性才崩塌；同时，这个选择为下一次选择又提供了无穷多的选项。

3）认为微观世界的发展存在跳跃性、不连续性和不确定性。

4）认为事物之间的因果联系像“蝴蝶效应”所显示的那样，是异常复杂的。

5）认为事物发展的前景是不可精确预测的。

6）认为微观物理现象不可能在未被干扰的情况下被测量和观察到，在弄清楚任何物理过程的活动中，人作为参与者总是处于决定性的地位。

2 量子信息技术的基本内容

量子信息技术具体包括量子力学、量子通信、量子计算机、量子信息存储、量子传感器、量子成像、量子导航、量子系统软件、量子网络等细分领域。本文只就与仪器仪表相关的部分简述。

2.1 量子计算机

量子计算机是—类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。它是以量子力学原理直接进行计算的计算机。量子计算机是以量子比特存储内容。对经典计算机来说，信息或者数据由二进制数据位（Bit）存储，每一个二进制数据位由0或1表示。每一个数据位是0，或者是1，二者必取其一。在经典计算机里，一个二进制位只能存储一个数据，n个二进制位只能存储n个一位二进制数或者1个n位二进制数，而在量子计算机里，一个量子比特可以存储两个数据，n个量子比特可以同时存储2n个数据，从而大大提高了存储能力。

量子计算是一种令人兴奋的全新计算模式，它不同于当前数据中心、云环境、PC和其它设备中的数字计算。数字计算需要把数据编码为二进制数字（比特位），每个比特位处于两个确定状态中的一个（0或1）。然而，量子计算使用量子位，后者可以同时处于多个状态。因此，量子位上的操作可以实现并行的大量计算。从本质上说，量子计算就是并行计算的终极目标，有着攻克传统计算机无解难题的巨大潜力。

谷歌人工智能量子（Google AI Quantum）团队最近发表了两篇论文，介绍了他们在理解量子计算机学习任务方面取得的新进展，证明了量子计算也能解决传统机器学习中的图像分类问题。而且，随着技术发展，量子计算机将在学习能力上超越经典的神经网络；另外，量子计算还能解决经典网络中一些棘手问题，比如预防出现模型训练中的梯度消失问题等。

尽管真正的量子计算机仍处于初级发展阶段，但量子计算有望解决复杂的模拟问题。

2.2 量子通信

量子通信是近20年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。目前量子通信主要涉及量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。量子通信技术的特征为高安全性、高传递效率与高信息容纳量。量子通信是一种无条件安全的通信方式。光纤网络有几亿个光子、几亿个电子，人们总是可以把它分出一点点来窃听它的状态，而量子是一个最小的单位，无法对其进行分割，若是用单个光子来做信息传输，那么就没有人可以从中分出一点去窃听。而且，量子也不可以被复制，因为任何观测、复制都会不可避免地影响到物理状态。正是这样一些基本的量子物理原理，确保了量子通信中的信息安全。

典型的量子通信系统包括：量子态发生器、通道和量子测量装置。 2017年，中国量子通信商业化迎来一个节点意义的事件：国内首个商用量子通信专网——山东济南党政机关量子通信专网完成测试，保密性、安全性、成码率的测试均达到设计目标。该网将接入世界第一条量子通信保密干线——“京沪干线”。“京沪干线”使用了世界最前沿量子加密技术。这一量子保密通信干线从北京出发，途经济南、合肥，到达上海，全长2000多公里，是广域光纤量子通信网络。

2.3 量子控制

量子系统控制经过了一个由可控性研究到对简单系统的开环控制，然后深入到对复杂系统的闭环控制几个过程。从中可以看出，量子系统控制的发展是同人们的需求紧密联系的。在研究的初期，人们并未对其进行系统地研究，主要是在化学和物理领域，针对特定的实验目的来对单独的量子进行控制性研究。

在量子控制问题中，缩短控制时间可以提高效率和减少环境噪声，利用李雅普诺夫函数最快下降来加速控制优化控制场的设计方法，可以有效节省时间，增强系统的鲁棒性，此方法可以用于冷却机械振子。量子李雅普诺夫控制具有节约计算资源，使用方法灵活等特点。

2.4 量子密码

目前，量子密码稳定性等基本问题已经解决。在某些领域，国内已经进行量子安全的产业化实验，技术已经接近于成熟。不过，由于缺乏量子中继技术，量子安全还只能在一个城市的城域网使用，两个城市之间还不能用。目前各地正在大力推进智慧城市建设，量子密码在单个城市应用中实现突破，已开启一个巨大的市场。

2.5 量子传感

相对于其他领域来说，量子技术将会率先在信息安全以及传感器领域得到应用。量子标准和传感器密不可分，只有使用基于量子原理的器件才能测定量子标准。量子技术产业的发展需要一套完整标准，依据标准把很多器件搭成一个系统；而每一个器件的组装、每一步运行，都需要标准支撑，唯如此才能最终达到系统的完整性。

另外，传感器利用量子信息，还可以很容易传感各种物理量，这个与现在的传感器相比，不管是灵敏度、精度都有大幅度提高。现已应用到温度传感器、压力传感器、现在正在做一个纳米级的显微镜，这些都是当前量子传感器领域的研究热点。

3 量子仪器仪表案例

3.1 量子传感器

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。实验已经证明量子传感器在针对重力、旋转、电场和磁场等方面的灵敏度要远远超过常规技术，而现在努力的方向就是使它们更加耐用、便携。

在太空中，冷原子传感器可以通过检测引力波及验证爱因斯坦的理论来实现新的科学突破。常规性地球遥感观测也可以通过精确重力测量来实现，监测的范围包括地下水储量、冰川及冰盖的变化。

以英国为例，在传感器及相关设备领域的从业者已经超过73000人，对经济的年均贡献也超过140亿英镑。单单是一个传感器数据服务所衍生出来的价值就已经是天文数字了，所以整合全产业链的重要性也就不言自明了。

量子传感器相比于传统产品则实现性能上的“大跃进”：在灵敏度、准确率和稳定性上都有了不止一个量级的提高。也正因此，它的应用场景也变得更加多样，例如在航空航天、气候监测、建筑、国防、能源、生物医疗、安保、交通运输和水资源利用等尖端领域都实现了量子传感器的商业化应用。

而量子传感器的发展并非是一项技术上的单点突破，它带动的是整个生态系统的建立和完善，从工程测量到数据可视化解析，各领域即将涌现的大量工作机会都表明这一趋势已经越来越清晰。

3.2 量子技术在计量检测中的应用

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由于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。

2018年11月16日，第26届国际计量大会（CGPM）经各个成员国表决，最终通过了关于“修订国际单位制（SI）”的1号决议。根据决议，SI基本单位中的千克、安培、开尔文和摩尔分别改由普朗克常数h、基本电荷常数e、玻尔兹曼常数k和阿佛伽德罗常数NA定义。用基本常数来复现量值成为普遍使用的计量方法，量子计量技术将扮演重要作用。

3.3 量子计量学的应用

量子计量学是由量子力学和计量科学交叉而产生的一门新兴学科，涉及到感知、成像、测距、测速、计时以及定位等多个应用领域。近年来，随着量子技术的快速发展及其自身的巨大应用潜力，实物原器退出历史舞台，中国计量迈入量子化时代。量子计量技术被投入越来越广泛的关注。

由于利用了量子纠缠、量子不确定性等量子物理的原理及现象，量子计量学可以打破现有计量体系的精度极限（如散粒噪声极限、瑞利极限等），其测量精度、测量距离以及灵敏度等都将较传统测量体系有着极大地提升。

从量子导航、量子雷达及量子成像等3个领域研讨了量子计量技术在预警机系统中的应用，由此而引发的预警机作战能力提升及作战方式的改变，对于空军的军事价值提升极其重要。

基于常数的计量基准定义将给人们的生产生活带来革命性的变化：

1）将改变国际计量体系和现有格局。新的计量体系不再依赖于通过实物基准向各国传递量值，打破了由国际计量局作为全球测量体系量值传递源头的单极中心局面，将形成一部分先进国家为主体的多级全球中心或区域中心。

2）将改变常规测量仪器的使用方式，在量子计量技术的支撑下，新一代量子测量仪器将天生带有最高精度与自行校准的功能。首先，在测量准确度方面，不再需要依靠更高精度计量标准来保障其准确度，因为量子测量设备本身就具有最高的测量准确度，可以直接为工程应用提供最高水平的测量服务；另外，在长期稳定使用方面，量子测量设备不再需要每年定期校准或检定，因为量子测量设备以常数来定义测量，可以通过自身的测量方法完成自校准，保证测量设备的长期可靠使用。

3）将以嵌入式量子芯片测量技术，有力支撑国防工业与武器装备。例如：飞机结构全寿命周期的健康监测中，长期可靠、高精度的嵌入式传感测量设备，高水平综合监测复杂健康指标参数，为飞机维护使用与增寿提供重要技术支撑；多参数集成的新型惯性导航量子传感设备将大幅提升装备自主导航精度，带来导航方式深刻变革；另外，航空发动机的复杂多参数监测与试验评价将在高精度嵌入式量子传感器的帮助下，完成长期在线高水平监测与维护,大幅节省校准与重新组装等带来的大量经济与时间成本。

航空工业计量所利用掌握的量子测量核心技术，将测量能力向磁场等各类关键参数拓展，基于量子测量技术将大大提高重力场、磁场的测量精度，对大地测量、重力基准图绘制、飞行器定位、大型工事侦察等均有重要意义。

3.4 量子检测仪

量子弱磁场共振检测法是一种新兴的快速、准确、无创波谱检测方法，特别适用于药品、保健品疗效对比和亚健康的检查，其检测项目主要有：心脑血管、骨密度、微量元素、血铅、风湿病、肺呼吸道、肾病、血糖、肠胃、肝胆、脑神经、妇科、前列腺、骨病、钙铁锌硒等30多种检测项目。

人体是大量细胞的集合体，细胞在不断地生长、发育、分化、再生、调亡，细胞通过自身分裂，不断自我更新。成人每秒大约有2500万个细胞在进行分裂，人体内的血细胞以每分钟大约1亿个的速率在不断更新，在细胞的分裂、生长等过程中，构成细胞最基本单位的原子的原子核和核外电子这些带电体也在一刻不停地高速运动和变化之中，也就不断地向外发射电磁波。人体所发射的电磁波信号代表了人体的特定状态，人体健康、亚健康、疾病等不同状态下，所发射的电磁波信号也是不同的，如果能测定出这些特定的电磁波信号，就可以测定人体的生命状态。

量子弱磁场共振分析仪就是解析这种现象的新型仪器。通过手握传感器来收集人体微弱磁场的频率和能量，经仪器放大、计算机处理后与仪器内部设置的疾病、营养指标的标准量子共振谱比较，用富利叶分析法分析样品的波形是否变得混乱。根据波形分析结果，对被测者的健康状况和主要问题做出分析判断，并提出规范的防治建议

3.5 量子“罗盘”诞生，导航不再依赖卫星

据麦姆斯咨询报道，近期伦敦帝国理工学院（Imperial College）和M Squared公司的团队成功演示了英国首个用于导航的量子加速度计。大多数导航依赖于全球导航卫星系统（GNSS），例如全球定位系统（GPS），它们需要向围绕地球轨道运行的卫星发送和接收信号。量子加速度计是一种独立的系统，不依赖任何外部信号。

这一点特别重要，因为卫星信号可能因受到高层建筑等障碍物的阻挡、拦截或中断而无法使用——从而导致无法精确导航。在英国，如果中断卫星服务1天将可能损失10亿英镑。

量子加速度计的精密度和准确度依赖于对超冷原子特性的测量。在极低温度下（接近绝对零度），原子表现为“量子”物态，像粒子又像波的双重特性。

来自帝国理工学院冷物质中心的Joseph Cotter博士说：“当原子处于超冷状态时，我们就必须用量子力学来描述它们的运动方式，这也使我们能够制造出所谓的原子干涉仪。”

随着原子温度的下降，它们的波动特性将受到移动装置加速度的影响。利用“光学标尺”，这种加速度计就能够非常精确地测量这些微小的变化。

为了使原子温度降得足够低，并在响应加速度时探测它们的特性，这就需要非常强大且能被精确控制的激光器。

4 结束语

一场量子革命正在改变着世界。量子技术在国家发展战略中的重要性日益凸显。美国、日本等世界大国都纷纷布局投入该领域。当前，在量子技术方面，一场全球性的赛跑正在进行。“量子霸权”成为各国科研机构竞相追逐的目标。而中国正在这场革命中弯道超车，努力抢占量子科技创新的制高点。

在信息时代，量子技术一旦突破，将会在产业竞争中占据有利地位。把握前所未有的历史机遇，中国正以技术打造利器，为量子科技领域带来更先进的仪器成果。

中国在量子科技方面，各种类型的量子科技仪器仪表公司不断涌现，这些企业以“工欲善其事，必先利其器”为指导，纷至沓来推出新型的量子科技产品，可以预期，领先的科技成果必将带来更加具有引领性、突破性的优势技术，值得人们期待。