量子精密測量技術及其在測量領域的典型應用

葛 萌,張鐵犁,劉 浩,宋 艷,吳 宸

(北京航天計量測試技術研究所,北京 100076)

1 引用

隨著量子光學、原子物理學等領域的發展,以及第26 屆國際計量大會通過了關于修訂國際單位制的決議,國際計量單位7 個基本物理量實現“量子化”,精密測量已經進入量子時代。世界各國包括美國、歐盟、英國、日本等近幾年都發布了量子相關的規劃,制定量子技術發展路線和發展規劃。

量子精密測量技術作為量子信息技術的三大領域之一,對國防軍工建設及國民經濟有著重要支撐作用。量子精密測量技術是以量子力學為基礎理論的,采用粒子能級躍遷、量子糾纏、量子相干等技術原理對微觀粒子,如原子、光子等量子態制備、測量和讀取,實現對物理參數如磁場、頻率、電場、時間、長度等物理參數的高準確度精密測量。利用量子精密測量方法,從基本原理方面突破了傳統測量技術的經典極限,比如電子儀器中的散粒噪聲極限,光學成像中的衍射極限等,量子精密測量能夠消除宏觀實物基準各種參數不穩定所產生的影響,在待測物理量上可以獲得前所未有的測量準確度,可以獲得比實物基準高幾個數量級的穩定性和準確度。

在本文中,首先介紹量子精密測量中的技術手段和量子計量的發展趨勢,然后闡述量子精密測量技術在測量領域中的典型應用,重點介紹了飛秒光頻梳技術、原子系綜精密測量技術,以及量子態光場光學精密測量技術的原理及應用。

2 量子精密測量中的技術原理

量子精密測量的重要技術手段包括:基于微觀粒子能級測量、量子相干疊加測量和量子糾纏測量,也是量子力學的基本屬性。

2.1 基于微觀粒子能級測量

根據玻爾的原子理論,原子從一個高的“能量態”躍遷至低的“能量態”時便會釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是不連續的。當待測物理量與量子體系相互作用時,量子體系發生如能級躍遷、能級劈裂或簡并等變化,此時量子體系就會輻射或吸收光譜,輻射或吸收光譜的能量大小與被測量的物理量相關?；谖⒂^粒子能級測量的技術對外界環境(如溫度、磁場等)要求較高,依賴于對量子態的操控技術。如,1967 年將銫原子中電子能級躍遷周期的9 192 631 770 倍定義為1 s 就是應用了微觀粒子能級的技術原理。

2.2 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,待測物理量對兩束原子束產生不同的影響,當兩束原子發生干涉時,待測物理量就反應在原子束的相位差[1]。原子陀螺儀、重力梯度儀等就是運用基于量子相干的技術原理?；诹孔酉喔傻募夹g手段已經應用在重力探測、慣性導航等領域,下一步是朝著小型化、芯片化發展,增強系統實用性。

2.3 基于量子糾纏測量

基于量子糾纏的測量技術是讓n個量子處于一種糾纏態上,外界環境對這n個量子的作用將相干疊加,使得最終的測量精度達到單個量子的1/n。該精度突破了經典力學的散粒噪聲極限,是量子力學理論范疇內所能達到的最高精度——海森堡極限。目前,基于量子糾纏的測量技術的應用領域包括量子通信、量子衛星導航、量子雷達等。

3 量子精密測量測量技術的布局及發展趨勢

國際計量體系正處在由基于經典物理的實物標準向“量子標準”發展變革的時期。無論是2021 年國務院印發的《計量發展規劃(2021-2035 年)》,還是2022 年1 月,國務院印發的《“十四五”市場監管現代化規劃》,都明確提到要建立以量子計量為核心的國家現代先進測量體系,要研建量子計量基準,研究基于量子效應和物理常數的量子計量技術,推進計量標準的升級換代。

量子精密測量的一個重要發展趨勢或者應用方向是向著芯片化發展,利用量子效應實現芯片級的計量基準,可以使得計量基準隨時隨地可復現,將其嵌入任何場所,提供不間斷的全時服務,實現對各種傳感器測量儀器的在線校準?；谠酉稻C的量子精密測量技術通過以原子氣室作為媒質,研究高性能原子氣室與光的作用過程,通過將原子系綜囚禁在芯片上,是實現芯片級量子計量標準的重要技術手段。飛秒光頻梳技術將原子微波頻標與光頻標聯系起來,在長距離測量、空間精密時頻傳遞等計量領域具有重大的應用價值,而微腔光梳推動了芯片級光梳在芯片計量基準的應用;基于量子態光場的精密測量技術采用非經典的光場,如量子壓縮光、量子糾纏光等,通過對光場的特性進行操控,能夠實現超高精度的測量,突破經典測量技術的散粒噪聲極限,達到量子力學的海森堡極限,在雷達探測和時頻同步領域具有應用價值。高精密量子測量方法是未來計量學的發展方向[2]。

4 量子精密測量技術在測量領域的應用

4.1 飛秒光頻梳測量技術及應用

飛秒光頻梳是通過相位鎖定技術鎖定飛秒激光脈沖的重復頻率和載波包絡頻移產生的,飛秒光梳在頻域上表現為頻譜間隔等寬、位置分布均勻和光譜范圍極寬的一系列梳狀頻譜線,在時域上是重頻穩定且時間間隔在飛秒級別的一系列時域脈沖信號[3,4]。如圖1 所示,frep為鎖模激光器的重復頻率,T為時域上兩個脈沖的時間間隔,則脈沖重頻和時間間隔的關系為:T=1/frep。fCEO是光梳頻率齒的整體偏移,直接影響了頻率齒的位置。因此,第n根梳齒的頻率fn可以用frep和fCEO表示:fn=nfrep+fCEO。

圖1 飛秒光頻梳頻譜原理示意圖Fig.1 Principle of femtosecond optical frequency comb spectrum

光學頻率梳可以通過不同的途徑產生,但自John L.Hall 與Theodor W.H?nsch 采用鎖模激光產生光頻梳的突破進展以后才愈加引人注目[5-7]。Hall 和H?nsch 以此貢獻獲得2005 年諾貝爾獎。光梳將微波頻率與光頻率聯系起來,可將激光頻率的測量轉化為微波頻率的測量,光梳猶如一把高精密的“頻率尺”,為計量領域提供了一種全新的度量工具。它既是光頻計量的強力工具,又是優質飛秒脈沖激光光源,因此在精密激光光譜學、距離測量、時頻測量、超低噪聲微波產生及相干測量等領域都具有廣泛而重要的應用。

近些年國內外學者做了大量的研究,開展了基于光頻梳的絕對距離測量、光學頻率測量等。在距離測量方面,北京航天計量測試技術研究所在國內首次實現對超高速調頻連續激光相對光學頻率測量,通過調頻非線性校正,使調頻激光雷達的0～10 m 距離測量不確定度達到U=1.1 μm+1.3 ×10-6L(k=2)。2021 年荷蘭科學家開展了增益開關的光梳絕對距離測量,在2.5 m 距離范圍內,實現了測距誤差為±12 μm,同時系統的重頻高達GHz 量級。飛秒光頻梳除了距離測量外,應用領域還包括光譜測量,采用光譜反演的方式實現溫度測量[8]。2022 年北京航天計量測試技術研究所研建了中紅外雙梳光譜測溫儀工程樣機,通過異步采樣實現高溫氣體吸收光譜的高精度測量,并利用光譜-溫度反演算法得到氣體溫度值。在激波管中完成了3 200 K 高溫上限CO2高溫氣體的溫度測量,在2 000 K 的管式氣體爐,溫度測量準確度達到1%,如圖2 所示。美國科羅拉多大學采用雙光梳光譜技術,開展雙光譜測溫試驗,在溫度1 000K 條件下,試驗得到的測量結果與真實值之間相差優于25 K[9]。

圖2 中紅外雙光梳高溫測量現場圖Fig.2 Field diagram of high temperature measurement with mid-infrared dual-comb

在激光頻率標定方面,埃及國家標準所利用飛秒光梳測量了銣原子在由5S1/2躍遷到5D3/2下的絕對光學頻率,在1 s 內試驗測量得到的阿倫偏差為3×10-12,1 000 s 內達到7 ×10-13。北京航天計量測試研究所在2020 年構建了543 nm 光學頻率梳系統,實現對543 nm 激光器(10-10量級)進行絕對光學頻率測量,絕對光學頻率測量不確定度2.24 ×10-11量級,相對頻率穩定性10-12量級。

微腔光梳的興起,推動了飛秒光梳朝著芯片化基準的發展。微腔光梳通過將連續泵浦激光的輸出限制在微腔中來增加基于克爾效應的非線性,而克爾效應指折射率隨光強的變化。與傳統光梳相比基于微腔非線性光學產生的片上光頻梳具備重頻高、光譜寬的特點,其梳模間隔在GHz 到THz 量級,可利用色散效應產生多個倍頻程孤子光梳。2023 年北京航天計量測試技術研究所實現了孤子光學頻率梳的集成封裝,觀測到孤子光梳了演化過程,實現了寬帶孤子光頻梳波長范圍大于100 nm,重復頻率大于49 GHz,雙梳重頻差14.69 MHz,可用于片上雙梳光譜測溫,如圖3 所示。

圖3 碟形封裝好的微腔Fig.3 Butterfly encapsulated microcavity

4.2 原子系綜精密測量技術及應用

基于原子系綜的量子精密測量技術是指利用激光和囚禁惰性氣體原子和堿金屬原子的相互作用來測量各種物理量,研究高性能原子氣室與光的作用過程,是量子傳感儀器高精度測量的需求,是實現芯片化計量測試傳感的基礎。國內外許多機構均開展了原子氣室的研究,基于原子系綜精密測量技術能夠實現磁場、溫度、慣性、時間等物理量的精密測量。

2021 年9 月,美國國防高級研究計劃局(DARPA)發布了“用于新技術的原子蒸汽科學”(SAVaNT)項目,旨在研究室溫下原子蒸汽的性能極限,實現新的室溫傳感功能和量子技術。并將應用領域分為三個技術領域:一是開發里德堡原子傳感器,利用原子感應電場,為毫米波提供超窄帶寬、高靈敏度的電場探測[10];二是關注矢量測磁技術,以實現小尺寸、低重量、小功率的室溫磁場傳感器;三是研究蒸氣量子電動力學,使量子網絡的關鍵部件能在室溫工作。

在溫度測量方面,北京航天計量測試技術研究所也布局了相關技術的研究,開展了基于直接吸收光譜的多普勒展寬測溫技術研究,并利用C2H2氣體在1.54 μm 附近的v1+v3線開展了試驗驗證,室溫下溫度測量準確度達到了0.37%。

在時頻方面,美國標準技術研究院(NIST)研制了增強穩定性原子鐘,比通常的原子鐘要小得多,由三個小芯片加上支持電子和光學的芯片組成,核心(以高“光學”頻率滴動)是一個芯片上的蒸汽電池,如圖4 所示。玻璃電池(芯片中的方形窗口)含有銣原子。芯片上的兩個頻率梳就像齒輪一樣,將原子的高頻光學滴答聲連接到一個更低的、可廣泛應用的微波頻率上。該芯片光鐘在4 000 s 時的不穩定性為1.7 ×10-13,穩定度優于芯片型微波時鐘的100 倍。

圖4 NIST 研制的增強穩定性原子鐘Fig.4 Chip scale enhanced stability atomic clock developed by NIST

原子磁強計是通過探測原子自旋的進動頻率來推測磁場的大小,極化的原子會繞著外磁場做拉莫爾進動,進動的頻率與外磁場大小有關,這種磁強計是理論靈敏度和試驗靈敏度最高的磁強計。美國威斯康星大學麥迪遜分校致力于研究銣原子SERF(無自旋交換弛豫)磁強計,2012 年和2019 年分別將銣原子SERF 磁強計加熱到140～180 ℃和175 ℃,達到6～11的靈敏度[11,12]。

2021 年中國科技大學和德國亥姆霍茲研究所研究人員利用氣態氙和銣原子混合蒸汽室,實現了新型核自旋磁傳感器,用于暗物質的試驗直接搜尋,試驗結果比先前國際最好水平提升至少5 個數量級,首次突破國際公認最強的宇宙天文學界。

2022 年法國國家科學研究中心的研制了一款量子加速度計,它使用激光和超冷銣原子,使用激光沿著所有三個空間軸來操縱和測量被困在一個小玻璃盒中的銣原子云,并將其冷卻到絕對零度[13]。相較經典器件,該系統比經典的導航級傳感器要精確50 倍,可以在沒有GPS 的情況下帶來精確的導航。

4.3 量子態光場光學精密測量技術及應用

連續變量非經典光場包括壓縮態光場、糾纏態光場、單光子光場等,可以利用一些光的非線性相互作用由相干態或者真空態產生。如制備壓縮態光源的方法主要包括二階非線性過程中的自發參量下轉換(SPDC)和四波混頻(FWM)。量子糾纏源則可以通過SPDC 和腔量子電動力學法(QED)等方法進行制備。采用量子態光場實現超越極限靈敏度測量是因為壓縮光具有比經典光低的噪聲特性、單光子的不可復制性、糾纏光在光子數以及正交分量上的強關聯特性等[14-16]。通過對這些特性進行操控,降低光場單個分類的起伏,利用起伏較小的分量進行測量時,系統的測量精度就可以超越散粒噪聲極限。量子態光場光學精密測量系統在理論與試驗驗證上已基本成熟,但是部分原理技術如量子糾纏態高效確定性的產生方法等方面仍有待攻克,量子干涉測量系統未達到工程化和實用化水平[17]。

早在2017 年德國馬克斯-普朗克研究所利用級聯的簡并光學參量放大器產生量子糾纏光子對,并搭建了雙臂傳感的非線性干涉儀,測量得到位相信號的測量靈敏度相對于經典測量極限提高了2.3 dB[18]。

在測量應用方面,新加坡科學院通過基于非線性晶體參量下轉換過程,結合級聯光學參量放大技術產生糾纏光子對,搭建了非線性干涉儀,對氣室內二氧化碳濃度的高準確度測量。圖5 給出了利用糾纏光子對氣室內二氧化碳濃度進行測量的試驗裝置,同時獲得了有關介質折射率和吸收系數的準確結果[19]。

圖5 基于糾纏光源的二氧化碳濃度測量裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of a CO2 concentration measurement device based on entangled light sources

目前引力波探測系統LIGO(Laser Interferometer Gravitational wave Observatory)干涉儀中使用了壓縮態光,壓縮態使其對50 Hz 以上信號的靈敏度提高了3 dB。壓縮態的引入使得LIGO 干涉儀可以捕捉到更多的引力波,預期檢測率提高40%～50%[20]。

量子弱測量作為一種量子增強測量技術,能夠將待測的微小物理量通過弱值放大技術提升其信噪比,從而使測量精度大大提升。量子弱測量技術已經在光束偏轉、相位延遲以及頻率漂移等微小量的精確測量中得到廣泛應用。上海交通大學在實驗中選擇弱測量方法來抵抗技術噪聲,首次實現了對同一光束的納米級橫向位移與納弧度級角向偏折的同時測量,其中的位置位移和角傾斜由壓電變壓器驅動的反射鏡引入,最終實現了高達1.45 nm和4.08 nrad 的測量精度[21]。

5 結論

量子精密測量技術具有測量靈敏度高,準確度高等優勢,一是改變現有量值傳遞體系,量子計量基準可隨時隨地建立,其超高的穩定性和準確性使量值復現、溯源、對比和傳遞更便捷、更準確、更扁平化;二是基于量子精密測量技術的測量儀器準確度將大幅提高,且具有長期穩定性,無需定期溯源,能夠提供高準確性且長期可靠的測量數據。將為科技工業的發展帶來革命性變化。

量子精密測量技術在包括軍事、航天航空、通信在內的諸多領域都將具有巨大的應用潛力?？梢灶A見,量子精密測量技術將逐漸改變傳統的測量方式,對未來的基礎研究和高科技戰爭等領域帶來巨大影響。