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精密測量是科學研究的基礎。可以說，整個現代自然科學和物質文明是伴隨著測量精度的不斷提升而發展的。以時間測量為例，從古代的日晷、水鐘，到近代的機械鐘，再到現代的石英鐘、原子鐘，隨著時間測量的精度不斷提升，通信、導航等技術才得以不斷發展，不僅給社會生活帶來極大的便利，也為新的科學發現提供了利器。因此，更高的測量精度一直是人類孜孜以求的目標。

隨著量子力學基礎研究的突破和實驗技術的發展，人們不斷提升對量子態進行操控和測量的能力，從而可以利用量子態進行信息處理、傳遞和傳感。量子精密測量是利用量子力學規律，特別是基本量子體系的一致性，對一些關鍵物理量進行高精度與高靈敏度的測量。利用量子精密測量方法，人們在時間、頻率、加速度、電磁場等物理量上可以獲得前所未有的測量精度。正是由于量子調控與量子信息技術的發展，2018年第26屆國際計量大會正式通過決議，從2019年開始實施新的國際單位定義，從實物計量標準轉向量子計量標準，這標志著精密測量已經進入量子時代。

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2022-2-16 09:00 上傳

　　高精度時間頻率的測量和應用支撐著相關科學研究的發展、經濟社會的運行和國家安全系統的建設。高精度時頻服務系統是國家戰略資源。
　　原子鐘所給出的頻率和時間標準是目前測量精度最高的基本物理量。同時，原子鐘精度的提高也帶動其他基本物理量測量、物理常數定義和物理定律檢驗精度的提高，促進了新物理的發現和科學技術的進步。在微波段運行的原子鐘已被廣泛應用于導航、通信等領域。被廣泛使用的衛星定位系統（例如我國的北斗導航系統、美國的全球衛星定位系統GPS等）中的每一顆衛星都載有多臺微波段原子鐘，通過對信號到達的時間做精確測量來給出用戶定位信息。由于在導航系統中的關鍵作用，星載原子鐘被喻為衛星導航系統的心臟。我國科學家正在積極發展下一代更高精度的星載微波段原子鐘，2018年在國際上首次實現了利用激光冷卻技術的空間冷原子鐘。
　　由于量子精密測量方法上的突破，在光波段運行的原子鐘（簡稱光鐘）具有更高的精確度與穩定度，有望達到10-21量級（即萬億年的誤差不超過1秒）。光鐘技術在近20年來迅猛發展，例如，美國國家標準局研制的鍶原子光鐘，在不確定度上達到10-18量級、穩定度達到10-19量級，相比微波原子鐘進步了至少兩個數量級；我國科學家發展的鈣離子光鐘的不確定度與穩定度均進入10-18量級。同時，我國已布局發展空間光鐘，目標是要在太空中把時間頻率測量精度提高兩個數量級。新一代時間測量與傳遞技術將為洲際光鐘比對、國際“秒”定義的產生作出貢獻，為未來引力波探測、暗物質探測等物理學基本原理檢驗提供新方法。同時，對光信號的高精度相位控制與測量，也會極大地提升未來星地一體量子通信網絡的信息傳遞速度。

　　慣性導航系統是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統，具有高隱蔽性、全時空間工作的優勢，在國家安全等領域具有重要的應用價值。
　　根據公開報道的當前最好的經典慣性導航技術，水下航行100天之后的定位誤差將達到100千米量級，還不足以支持長時間的完全自主導航。通過對原子的量子調控，基于原子自旋、冷原子干涉效應的量子陀螺儀和重力儀可實現超高靈敏度的慣性測量，有望達到水下航行100天之后的定位誤差小于1千米，實現長時間完全自主導航。因此，基于量子陀螺儀和重力儀的導航系統，在長航時高精度自主導航、前沿物理等領域具有重要應用。此外，高精度的重力測量還可廣泛應用于大地測量、資源勘探等領域。
　　目前，我國研究人員研制成功的原子自旋陀螺原理樣機，指標與國外公開報道的最高指標相當；可移動原子重力儀精度已接近國際一流水平，小型移動式冷原子重力儀達到了目前國際上野外連續重力觀測的最好水平，為實現高精度自主導航系統奠定了基礎。

　　對單光子、單電子、單原子、單分子等量子系統的高靈敏度探測具有廣泛的應用價值，成為近年來國際物理學研究的熱點前沿領域。
　　單自旋探測技術在量子計算、生命科學、材料科學等領域有廣泛應用。我國研究人員利用以金剛石NV色心為代表的固態單自旋體系實現了同時具有高空間分辨率與高靈敏度的磁場探測技術，在室溫大氣條件下獲得了國際上首張單個蛋白質分子的磁共振譜，為研究單分子、單細胞層面的生物學問題提供了測量基礎。該技術也可用于探索微觀尺度的磁性質、磁結構等。
　　單原子探測技術在地球科學、環境監測等領域有廣泛應用。我國研究人員發展了新一代激光原子阱單原子靈敏檢測方法，可以一個一個地數出環境樣品中所含的極微量同位素原子，包括空氣中含量僅為百億億分之一的氪-81同位素。這一天然示蹤劑被用來幫助了解全球與區域性水、冰循環過程，給百萬年的古地下水與冰川定年，為氣候變化研究、水資源管理提供關鍵數據。
　　分子包含電子運動、振動和轉動等多個量子化自由度，單分子尺度的量子體系由于具有強烈的空間限域、結構對稱性破缺和顯著的分立能級結構，表現出十分豐富和新奇的量子效應。我國研究人員利用掃描電鏡、原子力顯微鏡、拉曼光譜三種探測方法的聯用，全面揭示了表面上單個分子的結構與變化，在單化學鍵精度上實現了單分子多重特異性的綜合表征。
　　近年來，我國學者在量子精密測量方面不斷追趕國際先進水平，技術突飛猛進，成果斐然。譬如，在原子鐘、量子陀螺儀等方面的關鍵技術已經接近國際先進水平；在量子雷達、痕量原子示蹤、弱磁場測量等方面已經達到國際先進水平，并取得了一批國際領先的成果。隨著研究水平的不斷提升和核心競爭力的進一步增強，我國量子精密測量領域將在科學研究、經濟生活和國家安全等重大戰略需求中發揮重要作用。（盧征天潘建偉學習時報版面2022-02-16 A6版）

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