2024年6月1日起，中國的【非法定計量單位限制使用管理辦法】開始正式施行。管理辦法明確，國家實行法定計量單位制度，國際單位制計量單位和國家選定的其他計量單位為國家法定計量單位。
早在1875年5月20日，17個國家就在法國巴黎簽署了【米制公約】，這標誌了國際測量體系和計量標準的統一（【米制公約】逐漸演變成我們所熟知的國際單位制（SI））。
在國際單位制中，精準的1千克、1米究竟是多少呢？或許你會提到位於巴黎國際計量局地下室中的「國際千克原器」和「國際米原器」等物理單位標準原器。
位於巴黎國際計量局地下室中的「國際千克原器」
（圖片來源：Wikipedia）
但其實，國際單位制早已進入了「量子時代」。
量子時代的「度量衡」
隨著量子資訊科技的不斷進步，科學家們已經成功地利用量子精密測量，對一些基礎物理量進行了超高精度的測量，並且徹底覆寫了國際單位制的定義方式。
早在2018年11月，第26屆國際計量大會就決定，將量子化的自然常數作為新的測量基準，來替代傳統的物理單位標準原器，而新的量子化定義方式已於2019年5月20日正式生效。
這意味著，國際單位制已經徹底擺脫了傳統的實物基準，並且全面進入了量子化的新時代。采用全新量子化定義的國際單位制，將全部建立在恒定不變的自然常數上，因而具有絕對的穩定性和超高的測量精度。
量子技術示意圖
（圖片來源：veer圖庫）
那麽，我們為什麽要說全新的國際單位制，是建立在恒定不變的自然常數上的呢？讓我們來看看它們各自的定義。
目前，全新定義的國際單位制包括7個基本物理量，它們分別是長度、質素、時間、電流、溫度、物量、發光強度，而相應的基本單位依次為：米（m）、千克（kg）、秒（s）、安培（A）、克耳文（K）、摩爾（mol）和坎德拉（cd）。
為了方便大家熟悉它們各自的單位定義和定義所依據的自然常數，我們梳理了一張采用全新量子化定義的國際單位制表格：
表 采用全新量子化定義的國際單位制物理量（作者自制）
在全新的量子化的定義生效前後，國際單位制的物理量單位大小不會發生顯著的變化。也就是說，現在所定義的1秒鐘還是無限地接近原先定義的1秒鐘，但是時間的測量基準卻建立在恒定不變的自然常數之上，從而具有極高的穩定性和測量精度。
全新的國際單位制及其采用的自然常數
（圖片來源：Wikipedia）
那如今的基準究竟和之前的基準有什麽樣的區別？國際單位制究竟為什麽會有如此巨大的改變？
傳統精密測量的局限
根據上文提到的兩種不同的物理測量基準，精密測量可被劃分為經典精密測量和量子精密測量這兩大類。
對於經典精密測量而言，它的物理測量基準是人造的測量工具，例如我們日常所接觸到的石英鐘（時間精密測量）、光學顯微鏡（長度精密測量）以及電子分析天平（質素精密測量）等。測量工具能有效分辨的最小數值，也被稱為測量工具的分辨率，由相鄰的兩個最小刻度之差來決定。
舉個例子，我們使用的標準毫米尺，其相鄰的兩個最小刻度之差為1毫米，即標準毫米尺的分辨率為1毫米（1000微米），還遠遠沒有達到精密測量的要求。而標準的光學精密顯微鏡，其分辨率通常在0.2—0.4微米。因此，標準的光學精密顯微鏡可以歸類為經典精密測量方案。
測量分辨率為1毫米的標準毫米尺
（圖片來源：Wikipedia）
我們的很多實驗都使用到了這些人造測量工具，然而，人造的測量工具不可能絕對精準，總是不可避免地存在系統誤差。此外，在實際使用測量工具的過程中，由於測量結果的讀取也無法透過無限次測量來逼近真實值，因而也存在相應的隨機誤差。這就意味著，以人造測量工具為測量基準的經典測量方案的測量結果，會存在測量不穩定等現象。
更重要的是，經典精密測量方案的測量精度受限於測量工具的分辨率，其自身的測量精度不可能無限提高。事實上，經典精密測量方案的測量精度已經難以滿足現代物理學的實驗需求。
因此，科學家們將研究的目光轉移到了更加強大的量子精密測量上。
三把「量子之尺」突破精度極限
俗話說，沒有精密測量就沒有現代物理學。這是因為，現代物理學是在「提出理論——實驗檢驗——完善理論」的正向迴圈中不斷發展而來的。其中，實驗檢驗的準確性取決於精密測量的精度，而測量精度的提高往往會帶來新的物理規律的發現。舉個例子，物理學家們透過提高原子分立光譜的測量精度，分析並行現了其中蘊含的量子化效應，從而催生出量子力學的理論研究。
氫原子分立光譜的精密測量
（圖片來源：Wikipedia）
除此之外，當物理學家研究物件的尺度降低至納米，甚至亞納米量級時，我們就不得不采用全新的測量方式，來突破經典精密測量中的精度極限。
單個原子簡單結構的示意圖
（圖片來源：veer圖庫）
那麽，量子精密測量所根據的物理測量基準又該是什麽呢？
或許你會想到，可以利用單個微觀粒子
其實，這個新奇的想法算是答對了一半。正確的一半是，科學家們的確是可以采用單個微觀粒子（例如單原子、單離子等）作為全新的物理測量基準；而錯誤的一半是，這裏的單個微觀粒子不再作為普通的「尺子」（與待測的物體直接比較大小），而是利用微觀粒子所具有的奇妙量子效應來實作超高精度的測量。
量子精密測量的示意圖
（圖片來源：慕尼黑量子科學技術中心官網）
到這裏，我們的主角——量子精密測量就出場了。量子精密測量是指利用量子力學的基本原理，特別是量子系統對於外界環境的高敏感性，來對某些物理量進行精密測量。
具體而言，科學家們發現能夠利用光、原子、磁之間的相互作用，來精確地響應待測物理量的微小變化，從而高精度地讀取待測物理量的有效資訊，這就相當於找到了一把超高靈敏度的「量子之尺」。根據光、原子、磁之間相互作用的類別不同，量子精密測量可以細分為三把「量子之尺」。
第一把「量子之尺」基於微觀粒子的原子能階躍遷，是時間頻準的測量基準；第二把「量子之尺」基於微觀粒子自身的量子相幹性測量方案，透過幹涉法對外界待測的重力場、磁場等物理量進行精確的響應，目前已經廣泛套用於量子重力儀、量子磁力計等儀器；而第三把「量子之尺」則是利用微觀粒子間的量子纏結性，進一步突破經典測量方案的精度極限，從而達到量子力學理論內所能達到的最高測量精度，也就是所謂的「海森堡極限」。
基於金剛石NV色心體系的量子測磁顯微鏡
（圖片來源：國儀量子官網）
因此，量子精密測量並沒有那麽神秘，它其實就是利用量子力學中三種奇妙的量子特性，即原子能階躍遷、量子相幹性和量子纏結性，來分別作為三種不同的「量子之尺」，從而對時間、重力場、磁場等某些關鍵物理量實作高靈敏度的精密測量。
結語
量子精密測量方案能夠突破傳統經典精密測量的精度極限，為精密測量帶來了全新的面貌，那麽科學家們是如何使用「量子之尺」來實作超高精度測量的呢？這一獨特的方法是否也存在著測量的精度極限？在接下來的篇章中，我們將深入剖析量子精密測量的原理和套用，揭示這一領域所蘊藏的潛力和挑戰。
參考文獻
[1] 譚久彬. 超精密測量是支撐光刻機技術發展的基石[J]. 儀器儀表學報, 2023, 44(3): 1-7.
出品：科普中國
作者：欒春陽（清華大學物理系博士）
監制：中國科普博覽
