量子精密测量技术及其在测量领域的典型应用

葛 萌,张铁犁,刘 浩,宋 艳,吴 宸

(北京航天计量测试技术研究所,北京 100076)

1 引用

随着量子光学、原子物理学等领域的发展,以及第26 届国际计量大会通过了关于修订国际单位制的决议,国际计量单位7 个基本物理量实现“量子化”,精密测量已经进入量子时代。世界各国包括美国、欧盟、英国、日本等近几年都发布了量子相关的规划,制定量子技术发展路线和发展规划。

量子精密测量技术作为量子信息技术的三大领域之一,对国防军工建设及国民经济有着重要支撑作用。量子精密测量技术是以量子力学为基础理论的,采用粒子能级跃迁、量子纠缠、量子相干等技术原理对微观粒子,如原子、光子等量子态制备、测量和读取,实现对物理参数如磁场、频率、电场、时间、长度等物理参数的高准确度精密测量。利用量子精密测量方法,从基本原理方面突破了传统测量技术的经典极限,比如电子仪器中的散粒噪声极限,光学成像中的衍射极限等,量子精密测量能够消除宏观实物基准各种参数不稳定所产生的影响,在待测物理量上可以获得前所未有的测量准确度,可以获得比实物基准高几个数量级的稳定性和准确度。

在本文中,首先介绍量子精密测量中的技术手段和量子计量的发展趋势,然后阐述量子精密测量技术在测量领域中的典型应用,重点介绍了飞秒光频梳技术、原子系综精密测量技术,以及量子态光场光学精密测量技术的原理及应用。

2 量子精密测量中的技术原理

量子精密测量的重要技术手段包括:基于微观粒子能级测量、量子相干叠加测量和量子纠缠测量,也是量子力学的基本属性。

2.1 基于微观粒子能级测量

根据玻尔的原子理论,原子从一个高的“能量态”跃迁至低的“能量态”时便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的。当待测物理量与量子体系相互作用时,量子体系发生如能级跃迁、能级劈裂或简并等变化,此时量子体系就会辐射或吸收光谱,辐射或吸收光谱的能量大小与被测量的物理量相关。基于微观粒子能级测量的技术对外界环境(如温度、磁场等)要求较高,依赖于对量子态的操控技术。如,1967 年将铯原子中电子能级跃迁周期的9 192 631 770 倍定义为1 s 就是应用了微观粒子能级的技术原理。

2.2 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,待测物理量对两束原子束产生不同的影响,当两束原子发生干涉时,待测物理量就反应在原子束的相位差[1]。原子陀螺仪、重力梯度仪等就是运用基于量子相干的技术原理。基于量子相干的技术手段已经应用在重力探测、惯性导航等领域,下一步是朝着小型化、芯片化发展,增强系统实用性。

2.3 基于量子纠缠测量

基于量子纠缠的测量技术是让n个量子处于一种纠缠态上,外界环境对这n个量子的作用将相干叠加,使得最终的测量精度达到单个量子的1/n。该精度突破了经典力学的散粒噪声极限,是量子力学理论范畴内所能达到的最高精度——海森堡极限。目前,基于量子纠缠的测量技术的应用领域包括量子通信、量子卫星导航、量子雷达等。

3 量子精密测量测量技术的布局及发展趋势

国际计量体系正处在由基于经典物理的实物标准向“量子标准”发展变革的时期。无论是2021 年国务院印发的《计量发展规划(2021-2035 年)》,还是2022 年1 月,国务院印发的《“十四五”市场监管现代化规划》,都明确提到要建立以量子计量为核心的国家现代先进测量体系,要研建量子计量基准,研究基于量子效应和物理常数的量子计量技术,推进计量标准的升级换代。

量子精密测量的一个重要发展趋势或者应用方向是向着芯片化发展,利用量子效应实现芯片级的计量基准,可以使得计量基准随时随地可复现,将其嵌入任何场所,提供不间断的全时服务,实现对各种传感器测量仪器的在线校准。基于原子系综的量子精密测量技术通过以原子气室作为媒质,研究高性能原子气室与光的作用过程,通过将原子系综囚禁在芯片上,是实现芯片级量子计量标准的重要技术手段。飞秒光频梳技术将原子微波频标与光频标联系起来,在长距离测量、空间精密时频传递等计量领域具有重大的应用价值,而微腔光梳推动了芯片级光梳在芯片计量基准的应用;基于量子态光场的精密测量技术采用非经典的光场,如量子压缩光、量子纠缠光等,通过对光场的特性进行操控,能够实现超高精度的测量,突破经典测量技术的散粒噪声极限,达到量子力学的海森堡极限,在雷达探测和时频同步领域具有应用价值。高精密量子测量方法是未来计量学的发展方向[2]。

4 量子精密测量技术在测量领域的应用

4.1 飞秒光频梳测量技术及应用

飞秒光频梳是通过相位锁定技术锁定飞秒激光脉冲的重复频率和载波包络频移产生的,飞秒光梳在频域上表现为频谱间隔等宽、位置分布均匀和光谱范围极宽的一系列梳状频谱线,在时域上是重频稳定且时间间隔在飞秒级别的一系列时域脉冲信号[3,4]。如图1 所示,frep为锁模激光器的重复频率,T为时域上两个脉冲的时间间隔,则脉冲重频和时间间隔的关系为:T=1/frep。fCEO是光梳频率齿的整体偏移,直接影响了频率齿的位置。因此,第n根梳齿的频率fn可以用frep和fCEO表示:fn=nfrep+fCEO。

图1 飞秒光频梳频谱原理示意图Fig.1 Principle of femtosecond optical frequency comb spectrum

光学频率梳可以通过不同的途径产生,但自John L.Hall 与Theodor W.Hänsch 采用锁模激光产生光频梳的突破进展以后才愈加引人注目[5-7]。Hall 和Hänsch 以此贡献获得2005 年诺贝尔奖。光梳将微波频率与光频率联系起来,可将激光频率的测量转化为微波频率的测量,光梳犹如一把高精密的“频率尺”,为计量领域提供了一种全新的度量工具。它既是光频计量的强力工具,又是优质飞秒脉冲激光光源,因此在精密激光光谱学、距离测量、时频测量、超低噪声微波产生及相干测量等领域都具有广泛而重要的应用。

近些年国内外学者做了大量的研究,开展了基于光频梳的绝对距离测量、光学频率测量等。在距离测量方面,北京航天计量测试技术研究所在国内首次实现对超高速调频连续激光相对光学频率测量,通过调频非线性校正,使调频激光雷达的0～10 m 距离测量不确定度达到U=1.1 μm+1.3 ×10-6L(k=2)。2021 年荷兰科学家开展了增益开关的光梳绝对距离测量,在2.5 m 距离范围内,实现了测距误差为±12 μm,同时系统的重频高达GHz 量级。飞秒光频梳除了距离测量外,应用领域还包括光谱测量,采用光谱反演的方式实现温度测量[8]。2022 年北京航天计量测试技术研究所研建了中红外双梳光谱测温仪工程样机,通过异步采样实现高温气体吸收光谱的高精度测量,并利用光谱-温度反演算法得到气体温度值。在激波管中完成了3 200 K 高温上限CO2高温气体的温度测量,在2 000 K 的管式气体炉,温度测量准确度达到1%,如图2 所示。美国科罗拉多大学采用双光梳光谱技术,开展双光谱测温试验,在温度1 000K 条件下,试验得到的测量结果与真实值之间相差优于25 K[9]。

图2 中红外双光梳高温测量现场图Fig.2 Field diagram of high temperature measurement with mid-infrared dual-comb

在激光频率标定方面,埃及国家标准所利用飞秒光梳测量了铷原子在由5S1/2跃迁到5D3/2下的绝对光学频率,在1 s 内试验测量得到的阿伦偏差为3×10-12,1 000 s 内达到7 ×10-13。北京航天计量测试研究所在2020 年构建了543 nm 光学频率梳系统,实现对543 nm 激光器(10-10量级)进行绝对光学频率测量,绝对光学频率测量不确定度2.24 ×10-11量级,相对频率稳定性10-12量级。

微腔光梳的兴起,推动了飞秒光梳朝着芯片化基准的发展。微腔光梳通过将连续泵浦激光的输出限制在微腔中来增加基于克尔效应的非线性,而克尔效应指折射率随光强的变化。与传统光梳相比基于微腔非线性光学产生的片上光频梳具备重频高、光谱宽的特点,其梳模间隔在GHz 到THz 量级,可利用色散效应产生多个倍频程孤子光梳。2023 年北京航天计量测试技术研究所实现了孤子光学频率梳的集成封装,观测到孤子光梳了演化过程,实现了宽带孤子光频梳波长范围大于100 nm,重复频率大于49 GHz,双梳重频差14.69 MHz,可用于片上双梳光谱测温,如图3 所示。

图3 碟形封装好的微腔Fig.3 Butterfly encapsulated microcavity

4.2 原子系综精密测量技术及应用

基于原子系综的量子精密测量技术是指利用激光和囚禁惰性气体原子和碱金属原子的相互作用来测量各种物理量,研究高性能原子气室与光的作用过程,是量子传感仪器高精度测量的需求,是实现芯片化计量测试传感的基础。国内外许多机构均开展了原子气室的研究,基于原子系综精密测量技术能够实现磁场、温度、惯性、时间等物理量的精密测量。

2021 年9 月,美国国防高级研究计划局(DARPA)发布了“用于新技术的原子蒸汽科学”(SAVaNT)项目,旨在研究室温下原子蒸汽的性能极限,实现新的室温传感功能和量子技术。并将应用领域分为三个技术领域:一是开发里德堡原子传感器,利用原子感应电场,为毫米波提供超窄带宽、高灵敏度的电场探测[10];二是关注矢量测磁技术,以实现小尺寸、低重量、小功率的室温磁场传感器;三是研究蒸气量子电动力学,使量子网络的关键部件能在室温工作。

在温度测量方面,北京航天计量测试技术研究所也布局了相关技术的研究,开展了基于直接吸收光谱的多普勒展宽测温技术研究,并利用C2H2气体在1.54 μm 附近的v1+v3线开展了试验验证,室温下温度测量准确度达到了0.37%。

在时频方面,美国标准技术研究院(NIST)研制了增强稳定性原子钟,比通常的原子钟要小得多,由三个小芯片加上支持电子和光学的芯片组成,核心(以高“光学”频率滴动)是一个芯片上的蒸汽电池,如图4 所示。玻璃电池(芯片中的方形窗口)含有铷原子。芯片上的两个频率梳就像齿轮一样,将原子的高频光学滴答声连接到一个更低的、可广泛应用的微波频率上。该芯片光钟在4 000 s 时的不稳定性为1.7 ×10-13,稳定度优于芯片型微波时钟的100 倍。

图4 NIST 研制的增强稳定性原子钟Fig.4 Chip scale enhanced stability atomic clock developed by NIST

原子磁强计是通过探测原子自旋的进动频率来推测磁场的大小,极化的原子会绕着外磁场做拉莫尔进动,进动的频率与外磁场大小有关,这种磁强计是理论灵敏度和试验灵敏度最高的磁强计。美国威斯康星大学麦迪逊分校致力于研究铷原子SERF(无自旋交换弛豫)磁强计,2012 年和2019 年分别将铷原子SERF 磁强计加热到140～180 ℃和175 ℃,达到6～11的灵敏度[11,12]。

2021 年中国科技大学和德国亥姆霍兹研究所研究人员利用气态氙和铷原子混合蒸汽室,实现了新型核自旋磁传感器,用于暗物质的试验直接搜寻,试验结果比先前国际最好水平提升至少5 个数量级,首次突破国际公认最强的宇宙天文学界。

2022 年法国国家科学研究中心的研制了一款量子加速度计,它使用激光和超冷铷原子,使用激光沿着所有三个空间轴来操纵和测量被困在一个小玻璃盒中的铷原子云,并将其冷却到绝对零度[13]。相较经典器件,该系统比经典的导航级传感器要精确50 倍,可以在没有GPS 的情况下带来精确的导航。

4.3 量子态光场光学精密测量技术及应用

连续变量非经典光场包括压缩态光场、纠缠态光场、单光子光场等,可以利用一些光的非线性相互作用由相干态或者真空态产生。如制备压缩态光源的方法主要包括二阶非线性过程中的自发参量下转换(SPDC)和四波混频(FWM)。量子纠缠源则可以通过SPDC 和腔量子电动力学法(QED)等方法进行制备。采用量子态光场实现超越极限灵敏度测量是因为压缩光具有比经典光低的噪声特性、单光子的不可复制性、纠缠光在光子数以及正交分量上的强关联特性等[14-16]。通过对这些特性进行操控,降低光场单个分类的起伏,利用起伏较小的分量进行测量时,系统的测量精度就可以超越散粒噪声极限。量子态光场光学精密测量系统在理论与试验验证上已基本成熟,但是部分原理技术如量子纠缠态高效确定性的产生方法等方面仍有待攻克,量子干涉测量系统未达到工程化和实用化水平[17]。

早在2017 年德国马克斯-普朗克研究所利用级联的简并光学参量放大器产生量子纠缠光子对,并搭建了双臂传感的非线性干涉仪,测量得到位相信号的测量灵敏度相对于经典测量极限提高了2.3 dB[18]。

在测量应用方面,新加坡科学院通过基于非线性晶体参量下转换过程,结合级联光学参量放大技术产生纠缠光子对,搭建了非线性干涉仪,对气室内二氧化碳浓度的高准确度测量。图5 给出了利用纠缠光子对气室内二氧化碳浓度进行测量的试验装置,同时获得了有关介质折射率和吸收系数的准确结果[19]。

图5 基于纠缠光源的二氧化碳浓度测量装置示意图Fig.5 Schematic diagram of a CO2 concentration measurement device based on entangled light sources

目前引力波探测系统LIGO(Laser Interferometer Gravitational wave Observatory)干涉仪中使用了压缩态光,压缩态使其对50 Hz 以上信号的灵敏度提高了3 dB。压缩态的引入使得LIGO 干涉仪可以捕捉到更多的引力波,预期检测率提高40%～50%[20]。

量子弱测量作为一种量子增强测量技术,能够将待测的微小物理量通过弱值放大技术提升其信噪比,从而使测量精度大大提升。量子弱测量技术已经在光束偏转、相位延迟以及频率漂移等微小量的精确测量中得到广泛应用。上海交通大学在实验中选择弱测量方法来抵抗技术噪声,首次实现了对同一光束的纳米级横向位移与纳弧度级角向偏折的同时测量,其中的位置位移和角倾斜由压电变压器驱动的反射镜引入,最终实现了高达1.45 nm和4.08 nrad 的测量精度[21]。

5 结论

量子精密测量技术具有测量灵敏度高,准确度高等优势,一是改变现有量值传递体系,量子计量基准可随时随地建立,其超高的稳定性和准确性使量值复现、溯源、对比和传递更便捷、更准确、更扁平化;二是基于量子精密测量技术的测量仪器准确度将大幅提高,且具有长期稳定性,无需定期溯源,能够提供高准确性且长期可靠的测量数据。将为科技工业的发展带来革命性变化。

量子精密测量技术在包括军事、航天航空、通信在内的诸多领域都将具有巨大的应用潜力。可以预见,量子精密测量技术将逐渐改变传统的测量方式,对未来的基础研究和高科技战争等领域带来巨大影响。