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引言

量子理論由1900年被普朗克（Max Planck）提出后行業內卷，愛因斯坦（Albert Einstein）、玻爾（Niels Bohr）新的動力、海森堡（Werner Heisenberg）的過程中、薛定諤（Erwin Schr?dinger）等人不斷提出新理論并涌現(xiàn)出相關(guān)實驗。這些物理先驅(qū)所做的開創(chuàng)性工作和思維變革廣泛關註，顛*了經(jīng)典力學(xué)對自然界的認(rèn)知促進進步，從而引發(fā)對微觀粒子運動更精確和深入的研究，形成了量子力學(xué)這一套系統(tǒng)而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科優勢領先。量子力學(xué)與對應(yīng)的技術(shù)在整個20世紀(jì)飛速地發(fā)展迎來新的篇章，許許多多的科技成果與新物態(tài)發(fā)現(xiàn)都與量子技術(shù)息息相關(guān)，其在生活改善、軍事空白區、科研等領(lǐng)域的應(yīng)用也層出不窮協調機製。隨著量子技術(shù)的高速發(fā)展信息化，其衍生出的不同應(yīng)用領(lǐng)域，如量子通信實踐者、量子計算以及量子測量等領(lǐng)域不斷出現(xiàn)新的突破取得明顯成效。其中，例如量子計算機數據、原子鐘等應(yīng)用都在各自的領(lǐng)域打破了經(jīng)典技術(shù)的極限創新的技術，成為了前沿科技發(fā)展必不*少的技術(shù)發揮。

正文

量子力學(xué)是由許多現(xiàn)代物理學(xué)家共同創(chuàng)立的新物理學(xué)科，是研究物質(zhì)世界微觀粒子運動規(guī)律的物理學(xué)理論快速增長，主要研究原子開放以來、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)高質量、性質(zhì)提供了有力支撐。區(qū)別于經(jīng)典力學(xué)、相對論前景，量子力學(xué)從根本上改變了人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及相互作用的理解進一步意見，明確解釋了原子世界“微觀宇宙”的奇異屬性。這些基于物質(zhì)微觀世界的理論催生出了量子革*共享應用，改變了世界面貌生產能力。原*彈、芯片示範推廣、激光等重大發(fā)明均是來源于量子力學(xué)堅持好。量子技術(shù)作為基于量子力學(xué)發(fā)展起來的前沿技術(shù)，成為當(dāng)今*端科技中的一大熱門持續向好，發(fā)展了一系列顛*傳統(tǒng)方法的新興技術(shù)活動上。

一、量子通信

量子通信是基于量子物理的量子信息學(xué)的應(yīng)用之一進一步推進，因其原理上具有不可破譯特點而受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注導向作用。1993年美國IBM公司的研究人員首*設(shè)計了利用經(jīng)典信道和量子信道(Einstein-Podolsky-Rosen, EPR糾纏態(tài))來遠(yuǎn)距離傳輸未知量子態(tài)的協(xié)議，后來被稱為量子隱形傳態(tài)(Quantum teleportation, QT)應用的選擇。1997年奧地利Anton Zeilinger小組利用獨立光子偏振態(tài)首*實現(xiàn)了QT實驗驗證十大行動。2022年Alain Aspect、John Clauser和Anton Zeilinger因他們在糾纏光子實驗背景下、驗證違反貝爾不等式和開創(chuàng)量子信息科學(xué)方面所做出的貢獻(xiàn)而被授予諾貝爾物理學(xué)獎綜合措施。他們各自利用糾纏量子態(tài)開展了創(chuàng)新性實驗，其研究結(jié)果為目前量子信息的新技術(shù)奠定了基礎(chǔ)自然條件。

量子通信泛指通過移動量子態(tài)實現(xiàn)信號設計標準、信息或量子態(tài)的傳輸和轉(zhuǎn)移的量子技術(shù)。近年來互動互補，量子通信在理論和實驗上取得了重要進(jìn)展發揮重要帶動作用，其中量子密鑰分發(fā)（QKD）是最先走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化的量子信息技術(shù)，它能基于基本物理原理實現(xiàn)合法用戶間無條件安全的密鑰分發(fā)意料之外，是應(yīng)對量子計算對傳統(tǒng)加密體系威脅的有效手段文化價值。

量子密鑰分發(fā)是指利用量子態(tài)來加載信息，通過一定的協(xié)議在遙遠(yuǎn)地點的通信雙方共享密鑰置之不顧。量子力學(xué)基本原理保證了密鑰的不可竊不斷完善，從而在原理上實現(xiàn)無條件安全的量子保密通信數字化。為實現(xiàn)絕對安全的保密通信，Benett與Brassard于1984年提出了首*量子密鑰分發(fā)協(xié)議基礎上，即著名的BB84協(xié)議[1]各領域。該協(xié)議運用不確定性原理實現(xiàn)非正交狀態(tài)量子信息的編碼，利用光子的偏振態(tài)對密鑰進(jìn)行編碼保持競爭優勢。這種方案的安全性基于量子力學(xué)的兩個基本原理：單光子的不可分割性和單光子量子態(tài)的測量塌縮性新模式。

目前，QKD的發(fā)展重心已轉(zhuǎn)移至實用化方向不容忽視。2003年由美國國防部高級研究計劃局資助的Havard大學(xué)組織了、Boston大學(xué)和BBN科技合作建立了世界上首*量子通信網(wǎng)絡(luò)，后擴展為10節(jié)點量子通信網(wǎng)絡(luò)說服力。2004年歐洲在維也納啟動建設(shè)基于量子加密的安全通信網(wǎng)絡(luò)紮實，并于2008年建立了6節(jié)點多協(xié)議類型的8條鏈路的量子通信網(wǎng)絡(luò)。2010年日本在東京建立了城際高速量子保密通信網(wǎng)絡(luò)新體系，并進(jìn)行了一次一密的安全時頻會議應(yīng)用演示投入力度。

在國內(nèi)，2012年國家量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)計劃即量子京滬干線在國內(nèi)率*啟動QKD技術(shù)的應(yīng)用不難發現，其于2017年9月正式全線開通貢獻法治。2017年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團隊利用“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在國際上率*成功實現(xiàn)了千公里級的星地雙向量子糾纏分發(fā)。此外發展需要，他們利用墨子號還實現(xiàn)了北京到維也納的洲際量子密鑰分發(fā)攻堅克難。

圖 1天地一體化量子網(wǎng)絡(luò)^[2]

2021年中國科大潘建偉院士團隊在量子保密通信京滬干線與“墨子號”量子衛(wèi)星成功對接的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了世界上首*集成700多條地面光纖QKD鏈路和兩個星地自由空間高速Q(mào)KD鏈路的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)顯示，實現(xiàn)了地面跨度4600公里的星地一體的大范圍雙向互動、多用戶量子密鑰分發(fā)^[2]相互融合。

2024年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團隊實現(xiàn)了全天候的自由空間QKD^[3]互動互補。他們使用625 MHz誘騙態(tài)光源和傅里葉極限白天噪聲抑制技術(shù)，在20 km自由空間獲得了495 bps密鑰成碼率的結(jié)果進展情況。通過地基實驗在信道損耗和噪聲水平方面有效驗證了未來構(gòu)建基于量子星座的星地更為一致、星間量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性等形式，為更長的過境時間、更多的密鑰分發(fā)量和萬公里量級的量子糾纏分發(fā)提供基礎(chǔ)研究與應用。

二飛躍、量子計算

量子計算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計算的新型計算模式。與經(jīng)典計算不同的發生，量子計算遵循量子力學(xué)規(guī)律組成部分，它是能突破經(jīng)典算力瓶頸的新型計算模式影響。量子計算機新的動力，作為執(zhí)行量子計算任務(wù)的設(shè)備的過程中，以量子比特（qubit）為基本運算單元。在量子計算中廣泛關註，基于量子疊加原理促進進步，量子比特的不同狀態(tài)可被同時存儲和處理。

量子力學(xué)的基本特性是疊加態(tài)優勢領先，該原理使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)迎來新的篇章，從而導(dǎo)致量子計算從效率上相比于經(jīng)典計算具有更大潛力。普通計算機中的2位寄存器在某一時間僅能存儲4個二進(jìn)制數(shù)（00推動並實現、01蓬勃發展、10、11）中的一個積極回應，而量子計算機中的2位量子位寄存器可同時存儲這四種狀態(tài)的疊加狀態(tài)重要性。隨著量子比特數(shù)目的增加，對于n個量子比特而言多種場景，量子信息可以處于2n種可能狀態(tài)的疊加多元化服務體系，配合量子力學(xué)演化的并行性，可以展現(xiàn)比傳統(tǒng)計算機更快的處理速度擴大公共數據。

量子計算的概念在80年代初期提出深度，并經(jīng)由1985年圖靈機的概念具備了數(shù)學(xué)基本型式。而自從1994年貝爾實驗室的P. Shor證明了量子算法的實用性^[4]核心技術體系，越來越多的量子算法被提出開拓創新。許多量子系統(tǒng)也可作為量子計算的基礎(chǔ)架構(gòu)，例如光子偏振必然趨勢、腔量子電動力學(xué)和離子阱等綜合運用。基于量子計算的量子計算機將大大超過傳統(tǒng)計算機的方法，各國也都在致力于發(fā)展性能更好和量子位更多的量子計算平臺實事求是。

加拿大量子計算公司D-Wave于2011年正式發(fā)布全球*一款商用型量子計算機D-Wave，開啟量子計算機的熱潮落到實處。并在2017年推出D-Wave 2000Q服務水平，超越經(jīng)典的專業(yè)算法1000-10000倍。而與此同時算法也在不斷的更替技術創新，從早期的Shor和Grover算法處理方法，逐漸發(fā)展到尋找*優(yōu)解，收斂速度更快的HHL持續向好、QAOA和F-VQE等算法^[5]習慣。

近年來，量子計算產(chǎn)業(yè)鏈和應(yīng)用以各互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)為核心進(jìn)行發(fā)展。國外方面的積極性，IBM綠色化發展、谷歌、微軟不久前、霍尼韋爾和亞馬遜等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)均在量子計算領(lǐng)域有所布局用上了，開展了量子計算的全面研發(fā)，包括硬件合規意識、算法以及軟件等密度增加。IBM基于超導(dǎo)路線已研發(fā)127量子比特處理器“Eagle”，推出開源Qiskit Metal量子軟件創新內容；谷歌研制成功53量子比特計算機“懸鈴木”機遇與挑戰，擁有TensorFlow-Quantum和FermiNet等多款應(yīng)用軟件。此外善於監督，D-Wave提單產、IonQ和Regetti Computing等企業(yè)也在積極投入量子計算研發(fā)。并且量子技術(shù)已上升至國家技術(shù)層面至關重要，如美國國防部（DAPRA）和歐盟都制定了國*級別的量子技術(shù)戰(zhàn)略目標(biāo)布局計劃發展空間，俄羅斯和日本也在陸續(xù)啟動多項規(guī)劃。

國內(nèi)在量子計算方面也取得了全球矚目的成就有所應。2021年中科院潘建偉團隊通過超導(dǎo)路線對量子比特進(jìn)行調(diào)控足了準備，先后研制成功62位可編程超導(dǎo)量子計算機原型“祖沖之號”，如圖 2左圖所示著力提升；以及66位“祖沖之二號”深刻內涵；經(jīng)評估，其采樣復(fù)雜程度超越谷歌“懸鈴木”2-3個數(shù)量級融合。而利用室溫下即可實現(xiàn)的光量子路線深入闡釋，中科大研究團隊于2020年成功構(gòu)建76個光子的“九章”量子計算原型機，如圖 2右圖所示完成的事情，并在次年突破至113個光子物聯與互聯，比超級計算機速度快1024倍。2018年改造層面，華為公布了量子計算模擬器HiQ云服務(wù)平臺供給；2020年百*也推出了百*量子平臺，并在2022年發(fā)布了產(chǎn)業(yè)級超導(dǎo)量子計算機“乾始”經驗分享。量子計算以其遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計算機的速度解決方案，將在數(shù)字信號處理、軍事智能有力扭轉、物流管理等需要強大計算能力的領(lǐng)域大展宏圖上高質量。

圖 2 “祖沖之號”量子處理器（左）“九章”光量子干涉實物圖（右）圖源：維基百科

三一站式服務、量子模擬

1982年，在費曼的一次演講"Simulating physics with computers"中^[6]深入交流，*次明確提出了量子模擬的概念智能化。他指出，由于在量子力學(xué)系統(tǒng)中基的空間隨粒子數(shù)目呈指數(shù)增長流程，經(jīng)典計算機很難解決此類問題合作。一種可行的解決方法是"A quantum for a quantum"勃勃生機，即通過量子系統(tǒng)來“模擬”量子系統(tǒng)助力各業。這也就是量子模擬的基本思想。量子模擬器會通過構(gòu)造與目標(biāo)體系等效的哈密頓量來模擬對應(yīng)的系統(tǒng)提供有力支撐，給出定量或定性的結(jié)論應用。

冷原子是一類非常重要的量子模擬體系，由于其易于操控和測量的特點品率，可用于多種物理體系的構(gòu)建相貫通。冷卻至低溫的玻色子與費米子展現(xiàn)出了良好的量子簡并性，在Feshbach共振下積極影響，可對原子間的散射長度進(jìn)行較為自由的調(diào)節(jié)自動化方案，這對于研究多體與少體相互作用的物理機制有著重要的意義。

關(guān)于Feshbach共振對量子系統(tǒng)的調(diào)控越來越重要，Yoshiro Takahashi等人成功實現(xiàn)了亞微米空間尺度的Feshbach共振調(diào)控線上線下，并利用衍射圖樣擬合了散射長度的大小^[7]。散射長度的空間調(diào)制證明了原子相互作用的高分辨率控制是可能的醒悟，該靈活性也說明了可以利用量子系統(tǒng)進(jìn)行模擬數據顯示。

Gustavsson等人展開了玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）原子的Bloch振蕩的研究^[8]，他們利用Feshbach共振將原子間相互作用調(diào)至0也逐步提升，在這樣的條件下觀察到了超過2萬次的Bloch振蕩記得牢，能夠在無相互作用的極限下實現(xiàn)基于BEC的原子干涉儀。

國內(nèi)關(guān)于Feshbach共振的研究也有許多重要的作用，例如張婧更多可能性、李東豪教授小組在實驗上成功實現(xiàn)了p波Feshbach共振技術(shù)，利用激光實現(xiàn)束縛態(tài)的躍遷^[9]足夠的實力，如圖 3所示重要性。而在聶亮、張越等人的工作中多種場景，成功實現(xiàn)了同核和異核Feshbach共振多元化服務體系，為模擬量子流體等相互作用提供了理想的平臺^[10]。

圖 3 由光場驅(qū)動的p波Feshbach共振^[10]

光晶格則使得冷原子量子模擬的對象大大增加擴大公共數據，通過構(gòu)造周期性勢場便利性，可以對多種格點體系進(jìn)行模擬，如圖 4所示^[11]。晶格中這種超冷原子的相互作用由Hubbard模型給出深刻認識。Hubbard模型是一種基本的量子模型核心技術，可對磁性和超流等現(xiàn)象有所解釋。目前的冷原子實驗已能夠?qū)崿F(xiàn)低溫下Hubbard模型中的多種相變主動性。此外創造性，目前人們也正在嘗試在冷原子系統(tǒng)中構(gòu)建人造規(guī)范勢，從而模擬具有規(guī)范荷（如電荷）的體系道路，通過這種方法揭示量子霍爾效應(yīng)規模設備、拓?fù)浣^緣體等現(xiàn)象的內(nèi)在機制。

圖 4 光晶格中的超冷原子^[11]

Immanuel Bloch等人研究了光晶格中冷原子的相變^[12]指導。由Hubbard模型給出競爭力，相鄰格點的跳變由隧道耦合能和各點相互作用能表征，對于排斥性的玻色子進一步完善，利用晶格深度的增加集聚，相互作用達(dá)到某一臨界強度時，系統(tǒng)會經(jīng)歷由超流體轉(zhuǎn)變?yōu)镸ott絕緣態(tài)的相變調整推進。

而光學(xué)晶格量子模擬中*活躍的問題之一就是Fermi-Hubbard模型的實現(xiàn)^[13]狀況，可為材料的電子和磁性提供重要依據(jù)。而將費米量子氣體加載進(jìn)光晶格中的實現(xiàn)機製，讓Fermi-Hubbard模型成為可能全過程。這樣的Fermi-Hubbard模型中，哈密頓量由干涉激光場和超冷原子碰撞產(chǎn)生使命責任，給予途徑模擬哈密頓量效果，并能夠解決許多多體系統(tǒng)的開放問題。

而除了光晶格系統(tǒng)中的Hubbard模型合規意識，還存在其它模型密度增加，例如伊辛模型。伊辛模型是描述物質(zhì)鐵磁相變的重要模型創新內容，而量子系統(tǒng)在模擬一維和二維伊辛模型上均有重要進(jìn)展機遇與挑戰。2023年，IBM團隊利用127比特的量子系統(tǒng)實現(xiàn)了對超過100個自旋的二維橫向伊辛場模型的動力場模擬善於監督，超越了經(jīng)典近似方法模擬的計算精度集成技術，之后可進(jìn)一步走向?qū)嵱没?/span>

量子模擬還可以解決拓?fù)湮锢硐到y(tǒng)和其他多體問題。拓?fù)湮锢硎悄蹜B(tài)物理研究的重要方向之一進一步，理解物質(zhì)的拓?fù)湫再|(zhì)有助于研究更為穩(wěn)定的拓?fù)淞孔佑嬎銠C大部分。目前，超導(dǎo)量子計算機已經(jīng)可以模擬各類物理模型中的拓?fù)湮锢硇再|(zhì)：比如一維超導(dǎo)模型Kitaev鏈的拓?fù)湎嘧兊哪M實際需求；利用變分能量求解算法解決方案，實現(xiàn)對二維超導(dǎo)體波函數(shù)拓?fù)洳蛔兞績瀯?，包括陳?shù)，幾何相變的模擬增產；模擬二維陳絕緣體能帶便利性、拓?fù)淞隳苣：屯負(fù)浞瞧接惯吘墤B(tài)等。此外行動力，在模擬流體力學(xué)系統(tǒng)提供有力支撐、天體物理與高能物理系統(tǒng)等方面均是量子模擬可應(yīng)用的方向。近年來保供，基于超冷原子的量子模擬取得了巨大的進(jìn)展自行開發，*底改變了我們探測微觀系統(tǒng)的方式，通過精密的原子操控振奮起來，能夠?qū)崿F(xiàn)對多體系統(tǒng)的高還原度模擬品質，為各領(lǐng)域的理論預(yù)言和實驗驗證提供有效的手段利用好。

四深入各系統、量子測量

量子測量是量子力學(xué)最基本和核心的問題之一。經(jīng)典物理中的測量過程為對被測者不加改變的提取系列，然而在量子體系中作用，根據(jù)馮·諾依曼的測量假定，量子測量會導(dǎo)致量子態(tài)塌縮至待測物理量的本征態(tài)慢體驗，即不同于經(jīng)典測量著力增加，量子測量會對被測系統(tǒng)產(chǎn)生影響，相同的量子系統(tǒng)被測量后可能會獲得完*不同的結(jié)果科技實力，而這些結(jié)果將符合一定的概率分布處理。

量子測量基于微觀粒子量子態(tài)精密測量，完成被測系統(tǒng)物理量的執(zhí)行變換和信息輸出在此基礎上，在測量精度助力各行、靈敏度和穩(wěn)定性等方面與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比有明顯優(yōu)勢。在量子測量方面自主研發，目前已經(jīng)研發(fā)并攻克了多項技術(shù)確定性，例如原子的激光冷卻與俘獲技術(shù)、原子噴泉技術(shù)和物質(zhì)波干涉操控技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)不同需求。通過這些技術(shù)而實現(xiàn)的量子測量發展，可以了解量子的物理狀態(tài)和原子微觀性質(zhì)，從而更好地對其進(jìn)行應(yīng)用總之。原子干涉儀面向，原子陀螺儀，原子鐘等均是量子測量領(lǐng)域代表性成果研學體驗。

4.1 原子干涉儀

1924年德布羅意首*提出了粒子的波動特性建設項目，粒子的波長由粒子的動量決定規模，物質(zhì)波是量子力學(xué)理論的基本概念之一。物質(zhì)波干涉技術(shù)在此理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來講道理，隨著對原子結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)的理解發展目標奮鬥，利用原子干涉技術(shù)進(jìn)行引力測量的實驗也逐步被實現(xiàn)。

圖 5 (a)Mach-Zehnder光學(xué)干涉儀示意圖 (b)三脈沖原子干涉儀示意圖

Mach-Zehnder光學(xué)干涉儀原理圖如圖 5(a)所示更多的合作機會，從光源發(fā)出激光經(jīng)分束鏡后分成兩束延伸，兩束激光經(jīng)過不同的路徑分別被不同反射鏡反射，再一次經(jīng)過分束鏡時發(fā)生干涉服務好，最后通過探測器讀出干涉信號后可得到相關(guān)相位信息新趨勢。在光學(xué)干涉儀中，激光攜帶被測量的相位信息共謀發展，而分束器和反射鏡改變光的路徑學習，激光的動量在被物質(zhì)吸收和再反射時發(fā)生變化。原子干涉儀的工作原理與Mach-Zehnder光學(xué)干涉儀類似聽得懂，而原子干涉儀將原子作為物質(zhì)波應用優勢，光脈沖作為光學(xué)元件，獲得的相位差包含原子經(jīng)歷外場的所有信息全方位，如重力加速度高效節能、重力梯度、地球轉(zhuǎn)動和磁場等大局。

目前各種各樣的原子干涉實驗正利用原子的波動特性進(jìn)行精密測量和量子力學(xué)基本原理的檢驗新創新即將到來。原子干涉儀具有較高的靈敏度和很好的長期穩(wěn)定性，比較常用的原子干涉儀可分為原子干涉重力儀有序推進、原子干涉梯度儀和原子干涉陀螺儀等設施。可用于重力加速度測量堅定不移、重力梯度測量和引力場曲率測量更優質、萬有引力常數(shù)測量、地球轉(zhuǎn)動測量對外開放、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測量技術創新、微觀距離下的引力研究以及暗物質(zhì)探測等。還可比較不同重力原子的自由下落以及不同自旋方向資料、不同超精細(xì)能態(tài)的原子來檢驗廣義相對論中的弱等效原理廣泛應用。此外，還可在空間中用原子干涉儀探測引力波橫向協同。目前哪些領域，利用原子干涉儀進(jìn)行高精度重力測量的實驗以達(dá)到了4.2μGal rad/s/Hz1/2的短期靈敏度^[14]，利用原子干涉儀進(jìn)行弱等效原理檢驗的實驗已經(jīng)達(dá)到了10-12的較高水平^[15]不斷創新。

4.2 原子陀螺

陀螺儀可提供全自主建立和完善、實時提供了遵循、連續(xù)的導(dǎo)航技術(shù)，成為實現(xiàn)高精度無縫導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)大型。慣性導(dǎo)航陀螺儀可分為光學(xué)陀螺儀服務效率、微機電陀螺儀與原子陀螺儀等。

利用堿金屬原子的進(jìn)動測量磁場大小可實現(xiàn)磁力計重要意義，提高原子磁力計的靈敏度可研制高性能的原子陀螺儀統籌發展。原子陀螺儀根據(jù)工作原理不同可分為原子自旋式陀螺儀以及原子干涉式陀螺儀等，其中原子自旋式陀螺儀包括無自旋交換弛豫(Spin exchange relaxation free, SERF)陀螺儀體系、核磁共振(Nuclear magnetic resonance gyroscope, NMRG)陀螺儀等生產製造。陀螺儀中的角度隨機游走(Angle random walk, ARW)和漂移穩(wěn)定性(Bias stability)是表征其性能的兩個主要指標(biāo)。相較于光學(xué)陀螺儀和微機電陀螺儀攜手共進，原子陀螺儀具有精度高共同、體積小且對加速度不敏感的優(yōu)點。

4.2.1 無自旋交換弛豫陀螺儀

SERF原子自旋陀螺儀利用電子自旋敏感物體轉(zhuǎn)動經過，具有精度高簡單化、體積小的特點。其主要工作過程為原子SERF態(tài)制備以及原子自旋進(jìn)動檢測解決方案。其工作原理如圖 6所示優勢，磁屏蔽裝置使原子處于近零磁場環(huán)境中善謀新篇，此時堿金屬原子的拉莫爾進(jìn)動頻率大幅降低增產，同時由于高密度高壓環(huán)境使自旋交換率極大提升，從而充分抑制原子的自旋交換弛豫方法，實現(xiàn)SERF態(tài)高產。當(dāng)載體轉(zhuǎn)動時，由于電子自旋的定軸性發揮作用，檢測激光與電子自旋產(chǎn)生的宏觀磁矩M間存在夾角良好，通過檢測該角度即可得到載體轉(zhuǎn)動信息。

圖 6 無自旋交換弛豫陀螺工作原理^[16]

21世紀(jì)初普林斯頓大學(xué)Romalis*次實現(xiàn)了基于SERF效應(yīng)的超高靈敏度原子磁強計^[17]銘記囑托，2018年普林斯頓Romalis團隊和Twinleaf公司使用⁸⁷Rb磁強計抑制Rb原子之間的自旋交換弛豫引領，在直徑10 mm的氣室下，實現(xiàn)了角度隨機游走0.025/h^1/2示範，零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.01/h的SERF陀螺儀應用前景。北京航空航天大學(xué)房建成院士團隊在2008年率*開展基于原子自旋的超高靈敏度磁場測量與慣性測量技術(shù)研究，在2018年研制了零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.05/h的雙軸SERF陀螺運行好，在2019年研制出小型化SERF陀螺原理樣機首次，在2020年陀螺儀原理樣機的零偏穩(wěn)定性達(dá)到0.001/h量級^[18]。

4.2.2核磁共振陀螺儀

NMRG陀螺儀利用磁場中原子核自旋的進(jìn)動即拉莫爾進(jìn)動來測量旋轉(zhuǎn)^[19]部署安排，兼顧低功耗搖籃、體積小技術、低成本、高精度和抗振動等綜合優(yōu)勢推動，目前發(fā)展較為成熟相對較高。在核磁共振陀螺中，原子核自旋可以在慣性空間中保持其原始指向信息，所以可以用原子核自旋對轉(zhuǎn)動的敏感研制核磁共振陀螺儀姿勢，其裝置原理圖如圖7所示。

圖 7 核磁共振陀螺儀原理示意圖^[16]

原子核自旋具有磁矩μ首要任務，取向與自旋軸方向一致綠色化，在自然狀態(tài)下具有隨機性，無宏觀指向發展，將核自旋置于靜磁場中保持穩定，核自旋將在靜磁場作用下以拉莫爾角頻率繞方向進(jìn)動。在此基礎(chǔ)上面向，作用與磁場方向相同的泵浦光后支撐作用，可使得原子被極化，賦予核自旋宏觀指向建設項目。通過在正交于已有穩(wěn)定靜磁場方向外加頻率與原子進(jìn)動頻率相等均勻的交變電磁場最為突出，核自旋會產(chǎn)生核磁共振，且共振頻率等于拉莫爾角頻率自動化。探測光與載體固定并且隨其共同旋轉(zhuǎn)提升，探測光檢測宏觀核自旋的拉莫爾進(jìn)動頻率，能夠獲得載體旋轉(zhuǎn)的角速度不折不扣，也可計算求解靜磁場的大小

20世紀(jì)50年代支撐能力，構(gòu)建核磁共振陀螺儀實現(xiàn)轉(zhuǎn)動測量的想法被第一次提出^[20]。隨后在20世紀(jì)60年代高效利用，直接使用光抽運汞的核磁共振陀螺儀被制造出來特征更加明顯。隨后20年，基于汞元素的核磁共振陀螺儀的角度隨機游走可達(dá)到0.05 /h^1/2講理論，漂移穩(wěn)定性則為0.02 /h^[21]的可能性。此外，我國北京自動化控制設(shè)備研究所服務為一體、北京航空航天大學(xué)問題、北京航天控制儀器研究所、華東師范大學(xué)和西安飛行自動控制研究所等單位對核磁共振陀螺儀現(xiàn)階段的重要問題進(jìn)行了深入的研究和探索要落實好，如核磁共振陀螺儀的磁屏蔽性能優(yōu)化緊密相關、用來測量核自旋進(jìn)動頻率的堿金屬原子磁力計的靈敏度、系統(tǒng)誤差來源的研究、磁場模塊的優(yōu)化設(shè)計和抽運光頻率的影響以及激光頻率鎖定等關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題方面都取得顯著進(jìn)展培訓。

4.2.3 原子干涉陀螺儀

原子干涉陀螺儀的原理與光學(xué)干涉陀螺儀類似不合理波動，利用了原子作為物質(zhì)波的波動性，基于Sagnac效應(yīng)完成角速度的測量重要工具。原子干涉陀螺儀工作過程主要包含原子團制備積極拓展新的領域、原子分束、原子反射更優質、原子合束和干涉相位測量相對開放，其基本原理如圖8所示。原子束中的原子經(jīng)內(nèi)態(tài)選擇后全部處于基態(tài)脫穎而出，然后經(jīng)拉曼光脈沖分別實現(xiàn)分束拓展應用、反射和合束，最后通過干涉條紋的相位測量獲取轉(zhuǎn)動信息結構。

圖 8受激拉曼躍遷和原子干涉陀螺原理圖

隨著激光冷卻原子技術(shù)的發(fā)展管理，第一個脈沖型冷原子干涉陀螺儀于2003年由法國巴黎天文臺Landragin小組實現(xiàn)^[22]。2018年能力建設，該小組實現(xiàn)了首*零偏不穩(wěn)定性低于1nrad/s的原子干涉陀螺儀戰略布局，其短期靈敏度為3×10^-8 rad/s/Hz^1/2，零偏不穩(wěn)定性為3.0×10^-10 rad/s@4000s^[23]表現明顯更佳。2022年中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院采用冷原子雙平拋方案狀態，靈敏度為1.5×10^-7 rad/s/Hz^1/2，零偏不穩(wěn)定性為9.5×10^-9 rad/s@20000s^[24]指導。近年來廣泛認同，原子干涉陀螺儀逐漸從實驗室環(huán)境走向工程應(yīng)用，這一過程中還有許多問題亟待解決增持能力。其中共同努力，既有保持精度前提下的集成化、小型化和提高系統(tǒng)魯棒性與自動化程度的工程技術(shù)問題追求卓越，也有提高數(shù)據(jù)更新率、帶寬和動態(tài)范圍的基礎(chǔ)技術(shù)問題參與能力，后者是制約目前原子干涉陀螺儀動態(tài)環(huán)境應(yīng)用的瓶頸技術(shù)問題合理需求。

4.3 原子鐘

時間是描述事件發(fā)生前后序列的物理量。隨著精密計時工具的發(fā)明充分發揮，天文秒不是恒定不變的高質量。量子力學(xué)的建立和發(fā)展使科學(xué)家認(rèn)識到原子內(nèi)部電子能級間的特征躍遷頻率具有比天文現(xiàn)象更高的穩(wěn)定度，不隨時間和地點的變化而變化選擇適用，更適用于作為時間標(biāo)準(zhǔn)管理，從而產(chǎn)生了原子鐘。由原子鐘生成的秒業務指導，稱為“原子秒”改進措施。

圖 9 原子鐘基本原理示意圖

原子鐘的工作原理如圖 9所示就此掀開，使用本振源(晶振或者超穩(wěn)頻率源)的標(biāo)準(zhǔn)頻率。一路作為輸出今年，另一路通過頻率綜合器得到特定頻率數(shù)值輸出原子鐘躍遷頻率穩步前行。將此頻率信號作用于原子系綜，使原子發(fā)生能級躍遷動手能力，利用躍遷幾率作為誤差信號反饋至本振源逐步改善，最終將本振源的頻率鎖定到原子躍遷頻率上。

1955年提升，英國國家物理實驗室研制成國際上第一臺銫原子鐘^[25]大大提高。1967年第13屆國際計量大會將秒定義在銫133原子在無外界干擾的條件下基態(tài)兩個超精細(xì)能級間躍遷對應(yīng)的輻射頻率上。2018年國際計量大會基于常數(shù)的新理念重新表述了秒定義：當(dāng)銫133原子基態(tài)的超精細(xì)能級躍遷頻率以單位Hz表示時研究成果，將其固定數(shù)值取為9 192 631 770來定義秒^[26]高質量。

光學(xué)原子鐘(光鐘)則是利用頻率在光學(xué)波段的原子(分子、離子)躍遷作為量子參考而建立的原子鐘激發創作。根據(jù)對量子參考躍遷對象的不同前景，光鐘可分為離子光鐘、光晶格鐘和核光鐘等增幅最大。離子光鐘采用了離子阱技術(shù)共享應用，利用磁場、靜電場或射頻場將帶電離子*禁在超高真空中標準，離子與外界環(huán)境較好地隔離示範推廣，具有系統(tǒng)頻移不確定度低的優(yōu)點，目前世界上*好的離子光鐘的系統(tǒng)頻移不確定度已進(jìn)入10^-19量級即將展開，但是由于目前的離子光鐘只*禁了一個離子大幅增加，因此受到量子投影噪聲限制，使得頻率穩(wěn)定度差于*禁多個參考粒子的中性原子光鐘傳承。中性原子光晶格鐘利用光晶格*禁大量中性原子作為量子參考等特點，通過光晶格把原子*禁在Lamb-Dicke區(qū)域，消除運動效應(yīng)（熱運動和光子反沖）造成的影響多種，同時引入“魔術(shù)波長”光晶格技術(shù)將進一步，減小由于光晶格激光的引入而造成的系統(tǒng)頻移，增加原子與鐘躍遷探測激光的作用時間發展成就，減小探測的傅里葉極限線寬成就，實現(xiàn)了1秒平均頻率穩(wěn)定度進(jìn)入10^-17量級。

圖 10 光學(xué)原子鐘實物 圖源：JILA

全*界范圍內(nèi)多家單位都在不斷提高和突破相關(guān)技術(shù)以實現(xiàn)更高精度的光鐘開展面對面，國內(nèi)外主要有¹⁷¹Yb鐿光晶格鐘系統、⁸⁷Sr鍶光晶格鐘和離子光鐘等。在中性原子光晶格鐘方面，美國實驗室天體物理聯(lián)合研究所(Joint Institute for Laboratory Astrophysics, JILA)葉軍教授小組在2022年實現(xiàn)了在單個真空腔內(nèi)利用⁸⁷Sr鍶原子分辨微米量級重力紅移^[27]空間廣闊，有力地證明了光鐘在頻率計量上的超高分辨特性營造一處；他們在2024年首*將光晶格中的原子制備在Wannier-Stark本征態(tài)上，獲得創(chuàng)記錄的相干時間支撐能力；并精密控制碰撞頻移資源優勢、晶格光頻移，以及使用對磁場最不敏感的鐘躍遷特征更加明顯，評估⁸⁷Sr鍶光晶格鐘不確定度為8.1×10^-19估算，正式將光晶格鐘的不確定度推進(jìn)10^-19量級^[28]。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(National Institute of Standards and Technology, NIST) A. D. Ludlow小組在2018年報道了使用輻射屏蔽腔降低Zeeman頻移和黑體輻射頻移不確定度方便，評估¹⁷¹Yb鐿原子光鐘不確定度為1.4×10^-18[29]基礎上。在離子光鐘的不穩(wěn)定度和不確定度報道方面，NIST的D. R. Leibrandt小組在2019年報道了²⁷Al+鋁離子量子邏輯光鐘應用領域，他們使用新研制的離子阱抑制²⁷Al+鋁離子熱運動保持競爭優勢，測得²⁷Al+鋁離子光鐘的不穩(wěn)定度和不確定度分別為1.2×10^-15和9.4×10^-19[30]。中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院(Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, APM)高克林教授小組在2022年報道了液氮制冷下不確定度為3×10^-18[31]的⁴⁰Ca+鈣離子光鐘發展機遇。除了光晶格鐘和單離子鐘等光鐘外長效機製，也有不少研究單位研制出分子光鐘^[32]、高價離子鐘^[33]和核光鐘^[34]等全技術方案。

結(jié)論

量子力學(xué)的提出是一里程碑式的人類認(rèn)知的突破分享，往后幾乎所有偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)都和量子技術(shù)密不可分。而隨著量子技術(shù)在量子通信信息化、量子計算方式之一、量子測量等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，量子技術(shù)的進(jìn)一步突破已引起人們越來越多的關(guān)注新型儲能。近年來創新能力，量子技術(shù)領(lǐng)域方興未艾，其催生的技術(shù)變革以及應(yīng)用發(fā)展正在改變世界面貌範圍，成為了諸多前沿領(lǐng)域發(fā)展的基石求得平衡。由于這些技術(shù)影響到社會、軍事註入新的動力、科技領先水平、經(jīng)濟等多方面，各國也都將量子技術(shù)的發(fā)展定為重大戰(zhàn)略目標(biāo)雙重提升。量子技術(shù)持續(xù)不斷的突破讓科學(xué)發(fā)展生機勃勃，其發(fā)展前景和對未來技術(shù)的影響將不可*量事關全面，并必將引*新一輪科技革*和產(chǎn)業(yè)變革表現明顯更佳。

作者簡介

第一作者：金濤韞、彭成權(quán)

通訊作者：徐信業(yè) 教授

作者單位：華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室

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