量子度量衡！精準(zhǔn)測量過去測不到的信號

2024年6月1日起，我國的《非法定計量單位限制使用管理辦法》開始正式施行。管理辦法明確，國家實(shí)行法定計量單位制度，國際單位制計量單位和國家選定的其他計量單位為國家法定計量單位。任何單位和個人應(yīng)當(dāng)按照有關(guān)法律法規(guī)、強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和計量技術(shù)規(guī)范的要求正確使用計量單位。國家明令禁止的非法定計量單位不得使用，其他非法定計量單位應(yīng)當(dāng)限制使用。

早在1875年5月20日，17個國家就在法國巴黎簽署了《米制公約》，這標(biāo)志了國際測量體系和計量標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一（《米制公約》逐漸演變成我們所熟知的國際單位制（SI））。

量子時代的“度量衡”

隨著量子信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，科學(xué)家們已經(jīng)成功地利用量子精密測量，對一些基礎(chǔ)物理量進(jìn)行了超高精度的測量，并且徹底改寫了國際單位制的定義方式。

早在2018年11月，第26屆國際計量大會就決定，將量子化的自然常數(shù)作為新的測量基準(zhǔn)，來替代傳統(tǒng)的物理單位標(biāo)準(zhǔn)原器，而新的量子化定義方式已于2019年5月20日正式生效。

這意味著，國際單位制已經(jīng)徹底擺脫了傳統(tǒng)的實(shí)物基準(zhǔn)，并且全面進(jìn)入了量子化的新時代。采用全新量子化定義的國際單位制，將全部建立在恒定不變的自然常數(shù)上，因而具有絕對的穩(wěn)定性和超高的測量精度。

那么，我們?yōu)槭裁匆f全新的國際單位制，是建立在恒定不變的自然常數(shù)上的呢？讓我們來看看它們各自的定義。

目前，全新定義的國際單位制包括7個基本物理量，它們分別是長度、質(zhì)量、時間、電流、溫度、物質(zhì)的量、發(fā)光強(qiáng)度，而相應(yīng)的基本單位依次為：米（m）、千克（kg）、秒（s）、安培（A）、開爾文（K）、摩爾（mol）和坎德拉（cd）。

采用全新量子化定義的國際單位制物理量（作者自制）

在全新的量子化的定義生效前后，國際單位制的物理量單位大小不會發(fā)生顯著的變化。也就是說，現(xiàn)在所定義的1秒鐘還是無限地接近原先定義的1秒鐘，但是時間的測量基準(zhǔn)卻建立在恒定不變的自然常數(shù)之上，從而具有極高的穩(wěn)定性和測量精度。

那如今的基準(zhǔn)究竟和之前的基準(zhǔn)有什么樣的區(qū)別？國際單位制究竟為什么會有如此巨大的改變？

傳統(tǒng)精密測量的局限

精密測量可被劃分為經(jīng)典精密測量和量子精密測量這兩大類。

對于經(jīng)典精密測量而言，它的物理測量基準(zhǔn)是人造的測量工具，例如我們?nèi)粘Ｋ佑|到的石英鐘（時間精密測量）、光學(xué)顯微鏡（長度精密測量）以及電子分析天平（質(zhì)量精密測量）等。測量工具能有效分辨的最小數(shù)值，也被稱為測量工具的分辨率，由相鄰的兩個最小刻度之差來決定。

舉個例子，我們使用的標(biāo)準(zhǔn)毫米尺，其相鄰的兩個最小刻度之差為1毫米，即標(biāo)準(zhǔn)毫米尺的分辨率為1毫米（1000微米），還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到精密測量的要求。而標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)精密顯微鏡，其分辨率通常在0.2—0.4微米。因此，標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)精密顯微鏡可以歸類為經(jīng)典精密測量方案。

我們的很多實(shí)驗(yàn)都使用到了這些人造測量工具，然而，人造的測量工具不可能絕對精準(zhǔn)，總是不可避免地存在系統(tǒng)誤差。此外，在實(shí)際使用測量工具的過程中，由于測量結(jié)果的讀取也無法通過無限次測量來逼近真實(shí)值，因而也存在相應(yīng)的隨機(jī)誤差。這就意味著，以人造測量工具為測量基準(zhǔn)的經(jīng)典測量方案的測量結(jié)果，會存在測量不穩(wěn)定等現(xiàn)象。

更重要的是，經(jīng)典精密測量方案的測量精度受限于測量工具的分辨率，其自身的測量精度不可能無限提高。因此，科學(xué)家們將研究的目光轉(zhuǎn)移到了更加強(qiáng)大的量子精密測量上。