“這就好比孫悟空的分身術(shù)。一個孫悟空可以同時出現(xiàn)在多個地方，孫悟空的各個分身就像是它的疊加態(tài)?！敝锌圃涸菏?、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉解釋道，“在日常生活中，一個人不可能同時出現(xiàn)在兩個地方。但在量子世界里，作為一個微觀的客體，它能夠同時出現(xiàn)在許多地方。”

宏觀經(jīng)典世界遵照的是經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，而在量子世界中，遵照的則是量子力學(xué)規(guī)律。在量子力學(xué)里，光子（量子的一種）可以朝著某個方向進(jìn)行振動，叫做偏振。因為量子疊加，一個光子可以同時處在水平偏振和垂直偏振兩個量子狀態(tài)的疊加態(tài)?？茖W(xué)實驗證明，因為量子疊加效應(yīng)的存在，一經(jīng)測量就會破壞或改變量子的狀態(tài)。因此，如果拿一個儀器對量子進(jìn)行測量，就會發(fā)現(xiàn)測量的結(jié)果完全隨機(jī)，對于相同狀態(tài)，無論觀察得多仔細(xì)，得到的結(jié)果永遠(yuǎn)不同。

三把“尺子”——量子特性讓測量精度不斷提高

由于量子力學(xué)測不準(zhǔn)原理的限制，測量精度不可能無限制地提高，這個最終的極限被稱為海森堡極限。

但是，人們可以通過兩種方式來提高測量精度：第一種是制備和利用分辨率更高的“尺子”；第二種方式是通過多次重復(fù)測量減少測量誤差，提高測量精度。近年來，人們發(fā)現(xiàn)利用量子力學(xué)的基本屬性，例如量子相干、量子糾纏、量子統(tǒng)計等特性，可以實現(xiàn)突破經(jīng)典散粒噪聲極限限制的高精度測量，這就相當(dāng)于找到了一把高靈敏度的量子“尺子”。

按照對量子特性的應(yīng)用，量子測量也有了三把“尺子”，第一把“尺子”是基于微觀粒子能級測量；第二把“尺子”是基于量子相干性測量；第三把“尺子”是基于量子糾纏進(jìn)行測量。

第一把“尺子”從上世紀(jì)50年代就逐步在原子鐘等領(lǐng)域開始應(yīng)用。根據(jù)玻爾的原子理論，原子從一個“能量態(tài)”躍遷至低的“能量態(tài)”時便會釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是不連續(xù)的，這也就是人們所說的共振頻率。

1967年，國際計量大會依據(jù)銫原子的振動而對秒做出了重新定義，即銫133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能階間躍遷對應(yīng)輻射的9192631770個周期的持續(xù)時間。這是量子理論在測量問題上的第一個重大貢獻(xiàn)。

量子測量第二把“尺子”是基于量子相干性的測量技術(shù)，利用量子的物質(zhì)波特性，通過干涉法進(jìn)行外部物理量的測量。現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于陀螺儀、重力儀、重力梯度儀等領(lǐng)域。例如，冷原子干涉量子陀螺儀由于其超高精度和超高分辨率的優(yōu)異特性，可以應(yīng)用于高靈敏導(dǎo)航系統(tǒng)等。

量子測量的最后一把“尺子”——基于量子糾纏的測量技術(shù)。理論上，如果讓N個量子“尺子”的量子態(tài)處于一種糾纏態(tài)上，外界環(huán)境對這N個量子“尺子”的作用將相干疊加，使得最終的測量精度達(dá)到單個量子“尺”的1/N。該精度突破了經(jīng)典力學(xué)的散粒噪聲極限，是量子力學(xué)理論范疇內(nèi)所能達(dá)到的最高精度——海森堡極限。

2018年，中國科大郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的研究組首次在國際上逼近了最優(yōu)海森堡極限。而就在2021年1月，郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的研究組同時實現(xiàn)了三個參數(shù)達(dá)到海森堡極限精度的測量。目前，科學(xué)家們已經(jīng)在光子、離子阱和超導(dǎo)等物理系統(tǒng)中實現(xiàn)了對相位測量等物理量測量的實驗演示，突破了經(jīng)典測量極限，逼近或達(dá)到海森堡極限。（科技日報記者 吳長鋒）