量子技術(shù)及其在計量檢測中的應(yīng)用

袁延林

（十堰市計量檢定測試所，湖北十堰，442001）

量子技術(shù)及其在計量檢測中的應(yīng)用

袁延林

（十堰市計量檢定測試所，湖北十堰，442001）

充分利用量子技術(shù)可增強(qiáng)計量檢測工作的有效性。概括了量子技術(shù)機(jī)器的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上闡述了該技術(shù)在計量檢測工作中的應(yīng)用情況。論述表明：量子技術(shù)在量子密碼、量子計算、量子模擬、量子度量學(xué)等領(lǐng)域發(fā)展迅速，且在傳感器、量子計算機(jī)等領(lǐng)域有效解決了物理量測量的諸多問題，為計量檢測工作提供了極大便利。

量子技術(shù)；計量檢測；測量；傳感器

引言

量子信息屬于新興學(xué)科，是由量子物理與信息技術(shù)結(jié)合發(fā)展而成的，量子通信與量子計算是其兩大主要領(lǐng)域[1]。其中量子通信包括量子密碼、量子隱形傳態(tài)等，而量子計算機(jī)與量子算法都隸屬于量子計算。計量測試工作有著很強(qiáng)的技術(shù)性要求，只有不斷引進(jìn)和應(yīng)用新技術(shù)，才能保證測量準(zhǔn)確性。

1 量子技術(shù)概述

1.1 量子密碼技術(shù)

通過公開信道完成安全密鑰分發(fā)，是量子密碼技術(shù)的重要表現(xiàn)。量子密碼技術(shù)擁有豐富的技術(shù)含量和全面的功能，其中很多關(guān)鍵技術(shù)都是自主研發(fā)的，然而系統(tǒng)安全性還有待檢驗，性能實用性還有待加強(qiáng)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)仍需要繼續(xù)完善。

1.2 量子計算

當(dāng)前對量子計算的研究以計算模式、軟件、算法、硬件等為主，其中計算模式包括標(biāo)準(zhǔn)模式、拓?fù)淠Ｊ?、絕熱模式、基于測量的模式[2]。

標(biāo)準(zhǔn)量子計算模式與經(jīng)典計算機(jī)理論相似，需解決糾錯問題，但它所面臨的糾錯問題危害更大：量子錯誤本身是一個不可操控的過程，持續(xù)的量子錯誤出現(xiàn)后，量子相干性將盡失，量子計算的優(yōu)勢也將不復(fù)存在。量子退相干是量子錯誤的統(tǒng)稱，量子糾錯碼是解決量子退相干的重要手段。當(dāng)前，所有傳統(tǒng)糾錯碼幾乎都有了對應(yīng)的量子情況。成功的量子計算擁有總的圖像，在這一物理圖像下，量子計算的物理實驗問題將更加清晰。

1997年，Kitaev首次提出了拓?fù)淞孔佑嬎隳Ｊ剑渲邪⒇悹柸我庾幽軌蚓幋aqubit信息，它的交換符合辯群規(guī)則，相互交換可以完成邏輯門操作，在干涉任意子之后就能得出計算結(jié)果。表征量子信息的量子態(tài)基本不被局域噪聲影響，天然容錯功能很強(qiáng)。

Goldstone等提出了絕熱量子計算模式，利用絕熱演化特征可以使量子幺正變換得以實現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)被冷卻到零溫，將處于體系基態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)哈密頓量參數(shù)發(fā)生變化，體系將會發(fā)生相應(yīng)變化。與此相反，若基態(tài)與激發(fā)態(tài)沒有在系統(tǒng)中進(jìn)行能級交叉，同時絕熱沒有發(fā)生演化，那么系統(tǒng)量子將仍是基態(tài)，因為演化后的基態(tài)已相差一個幺正變換，所以絕熱過程能夠?qū)崿F(xiàn)幺正變換。

基于測量的量子計算模式主要是為了簡化操作過程，擁有其獨特點。在計算初始階段，需要制備超大的糾纏態(tài)（即圖態(tài)），其制備相對容易，在圖態(tài)進(jìn)行局域測量及經(jīng)典通信就可證明邏輯門操作[3]。局域測量及經(jīng)典通信也相對簡單。

1.3 量子模擬

有效利用人工構(gòu)建的量子多系統(tǒng)實驗平臺，對研究操作存在一定困難的物理系統(tǒng)進(jìn)行有效模擬，進(jìn)而將這一過程取得的有效信息用于被模擬的物理系統(tǒng)中，使其得到加強(qiáng)，這一過程即稱為量子模擬。當(dāng)前原子、離子、電子是進(jìn)行量子模擬的物理平臺。冷原子由于其自身優(yōu)勢，在系統(tǒng)中擁有優(yōu)越地位。

1.4 量子度量學(xué)

從用手腳到用直尺、游標(biāo)卡尺等進(jìn)行的長度測量，測量精度得到極大增強(qiáng)。目前人們利用光的干涉等來提高測量精度。當(dāng)前對量子度量學(xué)的研究以原子鐘、量子成像等為主。

量子力學(xué)、微波波譜學(xué)使得原子鐘得以實現(xiàn)，時間計量精度得以提高，更加準(zhǔn)確的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)形成。Rabi于1936年提出了原則分子束諧振技術(shù)理論，促進(jìn)了原子躍遷成為頻率標(biāo)準(zhǔn)的可能性；Smith和Lyon于1948年基于Rabi理論制成氨分子鐘，但其長期穩(wěn)定度小，沒有實用價值[4]。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，原子鐘的進(jìn)度得到很大提高。飛秒激光的出現(xiàn)，使得利用拍頻就能測量激光絕對頻率，光頻、飛秒光梳結(jié)合也得以實現(xiàn)。

通過非經(jīng)典光場的特殊形式，可以促進(jìn)任意光學(xué)相位的高精密測量，這種測量使得標(biāo)準(zhǔn)量子極限得以突破。量子成像是利用量子光場得以實現(xiàn)的超高分辨率成像。量子度量學(xué)通過對量子糾纏等的充分運用，使得更高精度的測量方法及技術(shù)應(yīng)運而生，但對于其在具體實踐中的應(yīng)用還需要繼續(xù)探究。

2 量子技術(shù)在計量檢測工作中的應(yīng)用

計量與測量工作的精準(zhǔn)度是檢測的關(guān)鍵要素，地位非常重要。當(dāng)前，除了計量測試精準(zhǔn)度之外，基本計量測試已用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、國防社會安全等領(lǐng)域。

在計量發(fā)展過程中，計量基準(zhǔn)始終是研究重點，基本可以分為實物計量基準(zhǔn)與量子計量基準(zhǔn)。隨著實物計量基準(zhǔn)問題的突出，量子計量應(yīng)運而生，很多問題得到了有效解決。量子計量的準(zhǔn)確度更高，可以防止計量基準(zhǔn)量值多次逐級傳遞帶來的一系列問題，它在時間、長度、質(zhì)量、電流、溫度、光度、摩爾中都得到了有效發(fā)展，給計量檢測工作提供了極大便利。

2.1 計量檢測技術(shù)

在計量檢測中，量子技術(shù)的應(yīng)用使得測力范圍兩端的比達(dá)到1016：對于軋鋼機(jī)壓制力的測量，當(dāng)前可以達(dá)到60 MN，而測量材料性能的巨型試驗機(jī)達(dá)到100 MN，生物力學(xué)的動物肌肉纖維拉力是10 nN。在量子技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展過程中，測力計量技術(shù)得以拓展[5]。我國計量院研制的20 MN基準(zhǔn)測力機(jī)是當(dāng)前國際上最大的液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，其力值確定度是0.01%。由于液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)花費較為昂貴，所需技術(shù)也具有一定難度，所以目前使用其進(jìn)行大力值計量標(biāo)準(zhǔn)的只有少數(shù)幾個國家。

該設(shè)備主要運用帕斯卡原理，首次在單缸結(jié)構(gòu)的非旋轉(zhuǎn)工作缸塞系統(tǒng)中使用靜壓潤滑技術(shù)，可以說在全球大力值測力領(lǐng)域中居于領(lǐng)先水平。20 MN基準(zhǔn)測力機(jī)以及相應(yīng)的劑量檢定系統(tǒng)在很大程度上適應(yīng)了軋鋼工業(yè)商場、大型材料試驗機(jī)等在力值計量準(zhǔn)確測量方面的需求，同時對于數(shù)十萬噸級以上船舶的錨鏈試驗、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地震研究，也都擁有了精密的檢測手段。

當(dāng)前我國公路建設(shè)迅速發(fā)展，需要更高的計量檢測技術(shù)，這在一定程度上促進(jìn)了量子技術(shù)的有效應(yīng)用。例如，地質(zhì)勘測、土建施工、測量土壤承載力的便攜式觸探頭貫入儀、測力儀，使得土質(zhì)的現(xiàn)場快速評定擁有了檢測手段。

建筑工程往往需要測量樁基承載能力。由于樁子在錘擊下的沖擊力貫入地基，利用測力值及貫入度就能夠通過波動方程計算單樁承載力，進(jìn)而對樁基質(zhì)量進(jìn)行有效評判。用樁量隨著建筑工業(yè)的發(fā)展得到了極大提升，而量子計量技術(shù)的發(fā)展使得樁子的縱向承載力測量可以最為準(zhǔn)確和有效，最終確保建筑工程質(zhì)量。

2.2 傳感器

在現(xiàn)代計量檢測工作中，需要使用獲取和轉(zhuǎn)化力值的測力傳感器，它主要把機(jī)械量或幾何量有效轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，進(jìn)而有效測量。

如圖1所示，電阻應(yīng)變式傳感器在測力工作中較為常見，當(dāng)金屬絲在外力作用下機(jī)械變形時，它的電阻值也發(fā)生了變化，再加上電阻應(yīng)變效應(yīng)，測量將針對電量輸出。對于壓阻式傳感器而言，主要運用的是壓阻效應(yīng)，即當(dāng)半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力時，與此相應(yīng)的電阻率也將改變，測量也將針對電量輸出。至于電位器式傳感器，則將電刷相對于電阻元件的運動變?yōu)榕c其有函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓的輸出。

在上述傳感器中，電阻式傳感器相對結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，因此在機(jī)械量、幾何量的測量中應(yīng)用廣泛。電容、光纖等類型的傳感器可用于不同應(yīng)用領(lǐng)域的測量。對于測力傳感器而言，只有當(dāng)與其相配套的高精度數(shù)字二次儀表的分辨率、準(zhǔn)確率得到極大增強(qiáng)時，其自身的檢測手段、數(shù)據(jù)處理或控制方法才會得到有效發(fā)揮，其自身性能方能被極大優(yōu)化。

量子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使得高精度數(shù)字二次儀表線路中的高集成化電路、微機(jī)都得到了廣泛應(yīng)用。測力技術(shù)利用計算機(jī)控制促進(jìn)了自身全自動化檢測的進(jìn)一步實現(xiàn)，測量準(zhǔn)確度得以改變，檢測效力得以增強(qiáng)。在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，計算機(jī)平臺技術(shù)在自動化測量中的有效應(yīng)用，以及模塊化、高集成化對測力計量工作有效開展的促進(jìn)，自動化測量及控制技術(shù)必將得到更加廣泛的應(yīng)用。量子光纖水聽器、量子光纖陀螺儀等光纖傳感器在靈敏度上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)光纖傳感器，在提高對敵艦艇的探測靈敏度、導(dǎo)航系統(tǒng)的精確度等方面擁有較好的應(yīng)用前景。

因此，致力于開發(fā)探測精確度、靈敏度更高的光纖傳感器，能夠有效增強(qiáng)我國的信息技術(shù)水平。無論是電阻應(yīng)變式傳感器、壓阻式傳感器還是其他傳感器，都離不開量子技術(shù)的有效運用。

2.3 量子計算機(jī)

圖1 量子傳感器類型及其應(yīng)用領(lǐng)域

如圖2所示，量子計算機(jī)與經(jīng)典計算機(jī)相比，其指數(shù)、非指數(shù)、相對黑盒指數(shù)都得到了加速。量子計算機(jī)有望把NP問題變換為相對容易解決的P問題。量子算法不是通過將指數(shù)算法轉(zhuǎn)化成多項式算法來進(jìn)行加速的，而是把需要N步的計算，縮小為 n 步。計算機(jī)科學(xué)中的黑盒是一段程序，它主要進(jìn)行任務(wù)的執(zhí)行，然而對于量子計算機(jī)來說，它則是幺正變量。對一個很大的整數(shù)，即使使用高性能超級并行計算機(jī)，在一定時間內(nèi)分解為兩個素數(shù)相乘仍然存在一定困難，所以長期以來，RSA密碼系統(tǒng)在計算機(jī)上被認(rèn)為是安全的。

Shor 博士通過實驗，證明使用量子計算機(jī)，運用多項式的時間，即可以最大概率有效分解任意大整數(shù)，那么RSA密碼系統(tǒng)的安全性因此遭到威脅。在量子計算機(jī)當(dāng)前的發(fā)展過程中，由于環(huán)境的影響，成功有效的量子算法還相對有限。受到當(dāng)前量子器件最多只能有7個量子位等因素的制約，使其還有待加強(qiáng)。因此，必須加強(qiáng)量子技術(shù)在計量檢測中的有效應(yīng)用，才能真正加強(qiáng)我國的計量檢測實力。

圖2 量子計算機(jī)的實施方案

3 結(jié)語

量子儲存器擁有很強(qiáng)的儲存能力，量子計算具有平行性、全局性，有的量子算法還擁有加速能力，這些優(yōu)勢特點極大地促進(jìn)了計量測試工作的開展，隨著未來科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，這些優(yōu)勢還將更加凸顯，從而更好地促進(jìn)計量技術(shù)工作的發(fā)展。

[1]胡和平. 測力計量技術(shù)[J]. 計量與測試技術(shù), 2013, 40(2):30.

[2]王錦清. 淺談標(biāo)準(zhǔn)測力儀檢定法在機(jī)動車檢測專用軸(輪)重儀計量工作中的應(yīng)用[J]. 福建交通科技, 2015(2): 95-96.

[3]周正威, 陳巍, 孫方穩(wěn), 等. 量子信息技術(shù)縱覽[J]. 科學(xué)通報, 2012(17): 1498-1525.

[4]郭光燦. 量子信息技術(shù)[J]. 中國科學(xué)院院刊, 2002, 17(5): 521-525.

[5]吳國林. 量子技術(shù)對于低碳技術(shù)的意義[J]. 蘇州大學(xué)學(xué)報: 哲學(xué)社會科學(xué)版, 2011, 32(3): 8-12.

Quantum Technology and its Applications on Measurement and Inspection

YUAN Yan-lin
(Shiyan Measurement and Testing Institute, Shiyan, Hubei,442001, China)

Making full use of quantum technology is helpful to enhance the effectiveness of measurement and inspection works. Based on the generalization of quantum technology, the present situation of the applications of such a technology in the measurement and inspection works is expounded. The discussion shows that, quantum technology has developed rapidly in the fields of quantum cryptography, quantum computation, quantum simulation, quantum metrology and so on. Applications of quantum technology in the fields such as sensor and quantum computer effectively solve the physical measurement of the many issues, providing great convenience for the measurement and inspection works.

Quantum Technology; Measurement and Inspection; Measurement; Sensor

TB9

A

2095-8412 (2016) 06-1284-04

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.063

袁延林(1968-)，男，本科，計量工程師，長期從事測量技術(shù)研究，擅長測力計量檢測工作。