量子，微观世界“最强之尺”

*本文为《半月谈》2024年第23期内容

量子科学，无疑是最近曝光最为频繁的科学领域之一。不过你可知道，除了量子通信，量子技术也能用于精密测量？

量子之“尺”

近百年前，诺贝尔物理学奖获得者海森堡提出“测不准原理”：微观世界中，你无法同时准确测得一个微观粒子的速度和位置。

打个比方，如果我们需要测量一杯热水的实时温度，最容易想到的方式是借助温度计。可是，温度计放入水中的那一刹那，它已使水温有所下降。虽然温度计很快就能测出一个温度值，但它只是我们关心的这杯热水温度的近似值。

科学发展至今，依赖高精度测量的领域越来越多。极弱信号、分子级空间分辨率、磁场通量……如何满足这些精度要求在单个微观粒子级别测量的需求？有科学家想到找神奇的量子帮忙。

量子测量，也称量子传感，是指利用量子特性实现的超高精度传感测量技术，其要义在于基于对中性原子、离子、光子等微观粒子系统的调控和观测，提升传感测量的性能。

量子测量有个独特优势——利用微观粒子的固有性质测量物理量，无须依靠外部计量校准，测量更为可靠，兼具稳定性和准确性。目前，已有科学家探索利用量子干涉效应构造具有超高灵敏度的磁信号量子探测仪器，从而打造出一把“量子尺”。

攻“尺”略地

现今，科学界认为，量子精密测量是距离实用场景最近也最有可能率先实现产业化的量子科技领域。

按应用领域划分，量子精密测量可分为时间测量、磁场测量、重力测量、惯性测量等，其中磁场测量的应用范围尤为广阔，尤其在生物磁场成像领域，已近乎不可或缺。

当前，心脏磁图（MCG）、脑磁图（MEG）是量子磁测量技术在生物磁场成像领域的主要应用场景，量子磁力计以其无创、无辐射、无造影剂、抗电磁干扰等优势，成为医疗诊断中的重要工具。如果测量磁场的精度能“细”到地球磁场的十亿分之一，就能够“看到”自己心脏和大脑产生的磁场。有了这一技术帮忙，无需做CT也能诊断疾病。

走进位于中关村科学城的未磁科技，我国自主研发的心磁图仪映入眼帘：它的大小接近一张小号单人床，一名成年人可以平卧其上。“这是世界上第一台采用64通道心磁探测器的无液氦心磁图仪，成像空间分辨率达毫米量级，能够进行更精细化的心脏磁场分析，结合AI算法，可提取出被测者的心脏磁场信号。”未磁科技创始人蔡宾介绍。

这台设备的“核心竞争力”，源自该团队自主研发的原子磁力计技术。这一技术可检测到的磁场，大约相当于地球磁场的十亿分之一，极其微弱的心脏磁场、脑磁场测量均不在话下。

“在脑磁图领域，量子磁测量技术可应用于脑疾病患者的诊断，以及神经外科手术病灶定位等领域。”中关村量子信息产业联盟副秘书长、中关村量子科技孵化器总经理顾成建说。

更深更小更细

在医学之外，量子测量从“上天”（航空航天）到“入地”（能源勘探），大显身手的领域还有很多。

2024年5月，英国科学、创新和技术部宣布，已在飞机上成功演示了基于量子的惯性导航系统。这是全球首次公开展示此类技术，标志着量子导航技术向实际应用迈出重要一步。

除增强导航能力外，量子精密测量还能观测到许多常规仪器无法感知的地球奥秘。把配有这把“量子尺”的传感器安装在近地轨道卫星或飞机、海上平台上，成像的精度、灵敏度就可大为提升。如果装在隧道或地下、水下结构中，还可能探测到重力场或磁场的细微扰动。

可以预见，不久的将来，越来越多的量子精密测量仪器将走出实验室，“量子尺”将为我们揭示更为广阔的世界。

半月谈记者：张漫子