精密測量是科學研究的基礎?？梢哉f，整個現(xiàn)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(fā)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(xiàn)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(fā)展，不僅給社會生活帶來極大的便利，也為新的科學發(fā)現(xiàn)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(fā)展，人們不斷提升對量子態(tài)進行操控和測量的能力，從而可以利用量子態(tài)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(guī)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(fā)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。

時間頻率的精密測量

高精度時間頻率的測量和應用支撐著相關科學研究的發(fā)展、經濟社會的運行和國家安全系統(tǒng)的建設。高精度時頻服務系統(tǒng)是國家戰(zhàn)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(shù)定義和物理定律檢驗精度的提高，促進了新物理的發(fā)現(xiàn)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(wèi)星定位系統(tǒng)(例如我國的北斗導航系統(tǒng)、美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS等)中的每一顆衛(wèi)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(tǒng)中的關鍵作用，星載原子鐘被喻為衛(wèi)星導航系統(tǒng)的心臟。我國科學家正在積極發(fā)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(xiàn)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(wěn)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(fā)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(wěn)定度達到10-19量級，相比微波原子鐘進步了至少兩個數(shù)量級；我國科學家發(fā)展的鈣離子光鐘的不確定度與穩(wěn)定度均進入10-18量級。同時，我國已布局發(fā)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(shù)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。

量子導航

慣性導航系統(tǒng)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(tǒng)，具有高隱蔽性、全時空間工作的優(yōu)勢，在國家安全等領域具有重要的應用價值。

根據(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)，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(xù)重力觀測的最好水平，為實現(xiàn)高精度自主導航系統(tǒng)奠定了基礎。

單量子靈敏探測

對單光子、單電子、單原子、單分子等量子系統(tǒng)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(tài)單自旋體系實現(xiàn)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(huán)境監(jiān)測等領域有廣泛應用。我國研究人員發(fā)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(shù)出環(huán)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(qū)域性水、冰循環(huán)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(shù)據(jù)。

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(xiàn)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(lián)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(xiàn)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(zhàn)略需求中發(fā)揮重要作用。

審核編輯 ：李倩