量子测量技术是什么？有哪些？应用领域介绍

量子产业的发展是国家经济与技术发展的重要方向，其中量子测量技术作为高精尖技术之一，对我国前沿科技产业有着重要意义;那么量子测量技术到底是什么?有哪些类型?结构框架如何?应用领域又有哪些?下面的文章将对量子测量技术进行简单介绍。

量子测量技术是什么

量子测量技术是指利用量子特性获得更高性能的测量技术。其主要具备两个基本特征，一是指测量系统中操作的对象是微观粒子( 如光子、原子、离子等) ，二是系统在待测物理场中演化导致量子态的改变实现精密测量。

量子测量技术的体系构架

(1)最底层以量子力学为理论基础,运用相干叠加、量子纠缠等技术上手段对原子、离子、光子等微观粒子的量子态进行制备、操控、测量和读取,配合数据的处理与转换,实现对角速度、重力场、磁场、频率等物理量的超高精度的精密探测,甚至有望突破经典物理的理论极限。通过应用层的软件将结果呈现给行业用户。

(2)在理论与技术基础层面,基础物理理论基本完备,但是部分原理技术仍有待突破,如量子纠缠态高效确定性的产生方法、远距离分发技术等。

(3)在硬件与系统工程化层面,一些高校和研究院所的原理样机基本成熟,并不断探索和刷新性能指标;部分成熟领域处于工程化阶段,建立初创公司,推出商用产品。

(4)在软件开发层面，借助机器学习和量子计算开发数据处理软件算法，可以高效地提取有效数据,从而降低系统对环境因素的严苛要求或提升数据采集实时性;控制软件和应用软件目前不是研究热点,但是未来商用化必须解决的问题。

量子测量技术的体系构架

量子测量技术的类型

(1)基于量子能级测量：基于量子能级的测量技术利用量子体系在待测物理量的作用下能级结构发生变化(如能级间距变化、能级劈裂或简并、驰豫时间变化等),量子体系的辐射或吸收谱可以反映出待测物理量的大小,这类量子测量技术相对成熟,已实现产业化。但部分技术方案对外界环境(如温度、磁场等)要求较高,依赖于对量子态的操控技术。

(2)基于量子相干性测量：基于量子相干性测量技术主要利用量子体系的波动特性,使两東原子束在检测点发生干涉,由于待测物理量对两束原子的作用不相同,因此两東原子的相位差反映了待测物理量的大小。其技术成熟度和测量精度均比较高,广泛应用于定位制导、重力探测等领域。但通常体积较大,难以集成化，目前, 开展小型化、芯片化和可移动化研发，增强系统实用性。

(3)基于量子纠缠测量：基于量子纠缠的测量技术条件最为严苛，同时也最接近量子的本质，测量精度理论上可以突破经典测量技术的散粒噪声极限，达到自然物理原理所能达到的最根本限制一量子力学的海森堡极限，实现超高精度的传感与测量。目前,这种测量技术主要应用于量子雷达、量子同步传输协议以及量子卫星导航领域。但成熟度较低,纠缠量子态的制备、操控等关键技术尚未突破，现阶段仍处在试验探索阶段，产业化和实用化前景尚不明朗。

量子测量技术应用

目前量子测量技术应用领域主要是基础科研、地质监测、森林防火、气候监测、生物医学检测、远程制导、军事反潜、能源勘探和精密授时等领域。在行业应用层面，跨学科/跨领域应用场景探索是目前的研究热点。

不过虽然量子测量技术具有超高的测量精度和超越经典极限的能力，但这并不代表量子测量技术短期内会取代经典测量。从目前来看，量子测量和经典测量应用领域和场景有所不同，量子测量技术测量精度高，适用于基础科研、军事国防等高精尖的领域，但是量子传感器往往体积大、成本高、鲁棒性差、需要专业人员调试和操控，还不适合大规模商业推广。未来一段时间内，量子测量技术作为传统测量技术的一种增强和补充，短期内并不存在取代的关系。

量子测量技术应用

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