量子測量技術是什么？有哪些？應用領域介紹

量子產業的發展是國家經濟與技術發展的重要方向，其中量子測量技術作為高精尖技術之一，對我國前沿科技產業有著重要意義;那么量子測量技術到底是什么?有哪些類型?結構框架如何?應用領域又有哪些?下面的文章將對量子測量技術進行簡單介紹。

量子測量技術是什么

量子測量技術是指利用量子特性獲得更高性能的測量技術。其主要具備兩個基本特征，一是指測量系統中操作的對象是微觀粒子( 如光子、原子、離子等) ，二是系統在待測物理場中演化導致量子態的改變實現精密測量。

量子測量技術的體系構架

(1)最底層以量子力學為理論基礎,運用相干疊加、量子糾纏等技術上手段對原子、離子、光子等微觀粒子的量子態進行制備、操控、測量和讀取,配合數據的處理與轉換,實現對角速度、重力場、磁場、頻率等物理量的超高精度的精密探測,甚至有望突破經典物理的理論極限。通過應用層的軟件將結果呈現給行業用戶。

(2)在理論與技術基礎層面,基礎物理理論基本完備,但是部分原理技術仍有待突破,如量子糾纏態高效確定性的產生方法、遠距離分發技術等。

(3)在硬件與系統工程化層面,一些高校和研究院所的原理樣機基本成熟,并不斷探索和刷新性能指標;部分成熟領域處于工程化階段,建立初創公司,推出商用產品。

(4)在軟件開發層面，借助機器學習和量子計算開發數據處理軟件算法，可以高效地提取有效數據,從而降低系統對環境因素的嚴苛要求或提升數據采集實時性;控制軟件和應用軟件目前不是研究熱點,但是未來商用化必須解決的問題。

量子測量技術的體系構架

量子測量技術的類型

(1)基于量子能級測量：基于量子能級的測量技術利用量子體系在待測物理量的作用下能級結構發生變化(如能級間距變化、能級劈裂或簡并、馳豫時間變化等),量子體系的輻射或吸收譜可以反映出待測物理量的大小,這類量子測量技術相對成熟,已實現產業化。但部分技術方案對外界環境(如溫度、磁場等)要求較高,依賴于對量子態的操控技術。

(2)基于量子相干性測量：基于量子相干性測量技術主要利用量子體系的波動特性,使兩東原子束在檢測點發生干涉,由于待測物理量對兩束原子的作用不相同,因此兩東原子的相位差反映了待測物理量的大小。其技術成熟度和測量精度均比較高,廣泛應用于定位制導、重力探測等領域。但通常體積較大,難以集成化，目前, 開展小型化、芯片化和可移動化研發，增強系統實用性。

(3)基于量子糾纏測量：基于量子糾纏的測量技術條件最為嚴苛，同時也最接近量子的本質，測量精度理論上可以突破經典測量技術的散粒噪聲極限，達到自然物理原理所能達到的最根本限制一量子力學的海森堡極限，實現超高精度的傳感與測量。目前,這種測量技術主要應用于量子雷達、量子同步傳輸協議以及量子衛星導航領域。但成熟度較低,糾纏量子態的制備、操控等關鍵技術尚未突破，現階段仍處在試驗探索階段，產業化和實用化前景尚不明朗。

量子測量技術應用

目前量子測量技術應用領域主要是基礎科研、地質監測、森林防火、氣候監測、生物醫學檢測、遠程制導、軍事反潛、能源勘探和精密授時等領域。在行業應用層面，跨學科/跨領域應用場景探索是目前的研究熱點。

不過雖然量子測量技術具有超高的測量精度和超越經典極限的能力，但這并不代表量子測量技術短期內會取代經典測量。從目前來看，量子測量和經典測量應用領域和場景有所不同，量子測量技術測量精度高，適用于基礎科研、軍事國防等高精尖的領域，但是量子傳感器往往體積大、成本高、魯棒性差、需要專業人員調試和操控，還不適合大規模商業推廣。未來一段時間內，量子測量技術作為傳統測量技術的一種增強和補充，短期內并不存在取代的關系。

量子測量技術應用

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