量子测量技术内涵与发展.pdf
《量子测量技术内涵与发展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《量子测量技术内涵与发展.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、引用格式:引用格式:王琦,李蒙,沈兴中,等.量子测量技术内涵与发展J.中国测试,2024,50(2):1-6.WANGQi,LIMeng,SHENXingzhong,etal.ConnotationanddevelopmenttrendofquantummeasurementtechnologyJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(2):1-6.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2023050041量子测量技术内涵与发展王琦1,李蒙2,沈兴中3,马爱文2,4(1.中国计量科学研究院,北京100029;2.中国计量测试学会,北京100029;3
2、.中国测试技术研究院,四川成都610021;4.天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072)摘要:量子时代以研究量子基本特性为重点,以应用量子基本特性为手段,实现量子通信、量子测量、量子计算等功能,这将对世界科技、经济、政治、社会治理等产生深远而重大的影响。该文通过分析量子测量技术发展过程、量子测量基本技术内涵、量子测量本质特征以及主要技术特点等,提出未来量子测试的发展趋势以及量子测量的重要应用场景,供社会各界参考。关键词:计量学;国际单位制;基本物理常数;量子测量中图分类号:TB9文献标志码:A文章编号:16745124(2024)02000106Connotation and de
3、velopment trend of quantum measurement technologyWANGQi1,LIMeng2,SHENXingzhong3,MAAiwen2,4(1.ChinaAcademyofMetrology,Beijing100029,China;2.ChinaSocietyforMetrology,Beijing100029,China;3.NationalInstituteofMeasurementandTestingTechnology,Chengdu610000,China;4.CollegeofPrecisionInstrumentsandOpto-elec
4、tronicsEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Thequantumerafocusesonthestudyofthebasiccharacteristicsofquantumandusesthebasiccharacteristics of quantum to realize the functions of quantum communication,quantum measurement,quantumcomputingandsoon,whichwillhaveaprofoundandsignifica
5、ntimpactontheworldscienceandtechnology,economy,politicsandsocialgovernance.Thispaperwillanalyzethedevelopmentprocessofquantum measurement technology,the basic technical connotation of quantum measurement,the essentialcharacteristicsofquantummeasurementandthemaintechnicalcharacteristics,andproposethe
6、developmenttrend of future quantum testing and the important application scenarios of quantum measurement for thereferenceofallsectorsofsociety.Keywords:metrology;internationalsystemofunits;basicphysicalconstants;quantummeasurement0 引言2019 年 5 月 20 日,国际单位制七个计量基本单位重新定义实施1-2,标志着以计量单位制为基础,以计量测试技术为手段,以计
7、量、标准、合格评定为收稿日期:2023-05-09;收到修改稿日期:2023-07-13作者简介:王琦(1994-),女,山西太原市人,助理研究员,硕士,研究方向为计量技术管理。通信作者:马爱文(1970-),男,北京市人,硕士,研究方向为计量行政管理。第50卷第2期中国测试Vol.50No.22024年2月CHINAMEASUREMENT&TESTFebruary,2024国家质量技术基础设施的经济发展与社会进步全面进入了量子时代3-4。量子时代以量子计量为基础,以量值数值为表征,以数据分析和应用为重要手段,人们的生产、生活等将发生重大变化5。1900 年前后,德国物理学家普朗克试图解决黑体
8、辐射问题,他大胆提出:像原子作为一切物质的构成单位一样,“能量子”(量子)是能量的最小单位,物体吸收或发射电磁辐射,只能以能量量子的方式进行。这个理论的提出,成功解决了黑体辐射的问题,标志着量子力学的诞生。1905 年,美国物理学家爱因斯坦受普朗克启发,将量子概念引进光的传播,提出“光量子”(光子)概念,并提出光同时具有“波粒二象性”。20 世纪 20 年代,法国物理学家德布罗意提出“物质波”概念,即一切物质粒子均具备波粒二象性;德国物理学家海森伯等人建立了量子矩阵力学;奥地利物理学家薛定谔建立了量子波动力学。量子理论发展进入量子力学阶段。1928 年,英国物理学家狄拉克完成了矩阵力学和波动力
9、学之间的数学等价证明,对量子力学理论进行了系统总结,并将两大理论体系相对论和量子力学成功地结合起来,揭开了量子场论的序幕。量子理论成为现代物理学的两大基石之一,为从微观层面理解宏观现象提供了重要而真实的理论基础。随着人们对量子特性认识的深入,人们发现量子的一些基本特性是不变的,如波长、辐射频率等。利用量子这些不变的特性来定义计量的基本单位,就可以消除计量单位定义对具体物质原器的依赖,使得计量单位的定义不受时间、空间以及外界各种因素的限制和影响。为此,计量领域的科学家积极探索,不断推动国际单位制变革和制定新定义的进程。直到 1960 年,第 11 届国际计量大会将“1m”定义到氪-86 原子特性
10、上,这是人类第一次采用光波波长这一不易毁坏的自然基准来定义长度单位“m”,并替代了国际米原器对长度的定义。从此,国际单位制体系打开了量子时代的大门,也正是这个定义,将量子测量的概念引入计量测试领域。之后,1967 年的第 13 届国际计量大会确定用铯原子跃迁频率的自然特性重新定义时间单位秒;1979 年的第 16 届计量大会将 1cd 定义为一光源在给定方向上发出频率为 5401012Hz 的单色辐射,且在此方向上的辐射强度为(1/683)kgms-时的发光强度;1983 年第 17 届国际计量大会将 1m 重新定义为光在真空中 1/299792458s 所经过的距离6。2018 年第 26
11、届国际计量大会将七个基本单位全部定义到量子的基本特性上,并于 2019 年正式实施,从此人类社会全面进入量子时代。1 计量单位的量子化定义与量子测试方法1.1 国际计量单位量子化定义基本内容计量单位的定义是实现计量单位的统一和量值准确可靠的基础。此次国际单位制对七个基本单位进行了量子化定义,这是建立计量基准实现计量基本单位的重要技术基础。国际单位制中七个基本单位的定义与各个基本常量的关系如表 1 所示。表 1 国际单位制基本单位量子化定义名称符号定义导出式定义常量秒s1 s=(9 192 631 770Cs)Cs米m1 m=(c299 792 458)s 30.663 319cCsc,Cs千克
12、kg1 kg=(h6.626 070 151034)m2s 1.475 521 41040hCsc2h,c,Cs开尔文K1 K=(1.380 649k)1023kgm2s2 2.266 6653Cshkh,k,Cs安培A1 A=(e1.602 176 6341019)s1 6.789 6871018Csee,Cs摩尔mol1 mol=(6.022 140 761023NA)NA坎德拉cd1 cd=(Kcd683)kgm2s3sr1 2.614 8301010(Cs)2hKcdKcd,h,Cs2中国测试2024年2月在新的国际单位制体系中,由于将七个基本单位全部定义在基本物理常数上,实现了将计量
13、单位的定义与计量单位的实际建立分开,基本单位和导出单位之间已没有实质性区别。因此,也可以直接利用基本物理常数来定义和实现对其他单位的定义。例如:力的单位牛顿,根据定义可以进行如下计算:1 N=1 kgms2=(h6.626 070 151034)m1s1=(h6.626 070 151034)(299 792 458c)(Cs9 192 631 770)25.354 081 11021(Cs)2hc同理,其他单位也可以计算出其与量子基本物理常数的关系(如表 2 所示)。同理,还可以推导出其他单位与基本物理常数的关系。从表 1、表 2 中可以看出:每个参数都与量子基本物理常数有关。因此,就可以用
14、这些基本物理常数来表示每个参数,这就是量子测量的基本思想和理论。表 2 国际单位制导出单位定义和实现(部分)名称符号量子定义式量子化相关常数赫兹Hz1 Hz=(Cs9 192 631 770)Cs牛顿kgms2N=1 N 5.354 081 11021(Cs)2hch,c,Cs帕斯卡 Pa=N/m21 Pa 5.694 3821018h(Cs)4c3h,c,Cs焦耳J=Nm1 J 1.641 7391023hCsh,Cs瓦特W=J/s1 W 1.785 9291013h(Cs)2h,Cs库仑C=As1 C=e1.602 176 6341019e1.2 量子测量的基本技术路线量子测量主要有三个环
15、节:第一,将量子调控到一定的稳定状态;第二就是让电磁场、温度、压力等外界环境直接与量子发生相互作用;第三就是通过测量量子的状态变化情况,推算出外界环境中的电磁场、温度、压力等一个或多个物理参数的实际情况7-8。量子测量原理如图 1 所示。1.3 量子测量基本测试技术量子测量技术主要涉及原子(电子)能级跃迁、冷原子干涉、热原子自旋、电子自旋、核磁共振、单光子探测、纠缠态联合测量等基础测量技术。目前较为成熟且常用的主要有以下几种。1.3.1冷原子干涉技术冷原子干涉技术就是利用激光技术对原子进行冷却,实现在极低温度下对原子的调控。由于原子对所有与其质量相互作用的力都很敏感,会产生一定量的位移,这样就
16、可以利用原子波动产生的干涉现象进行测量。冷原子干涉技术主要是测量磁场、物体的惯性以及时间变化等参数。目前该技术在重力测量中应用非常广,分辨率可以达到厘米以上。1.3.2离子阱控制技术离子阱是一种通过电磁场等技术,将一个或多个离子控制在特定的有限空间内,使之保持某种稳定状态,这样的装置或设备就是离子阱。任何干扰都可以通过测量离子阱中的离子状态的变化来测量其他环境的情况,如电场、磁场等。该技术多用于惯性导航中时间等参量的测量等。1.3.3金刚石氮空位(NV)色心技术在金刚石晶体中用氮原子取代一个碳原子,那么,晶格中这个氮原子的相邻格点上就会有一个空位。这个氮-空位(NV)中心具有独特的能级结构和光
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 量子 测量 技术 内涵 发展
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。