量子測量
技術原理與背景
量子測量（也稱量子感測與計量）是指利用量子力學效應提高測量精度和靈敏度的技術與方法。傳統測量受限於經典物理的極限，例如電路噪聲、熱噪聲等；而量子測量希望利用如**量子糾纏**、**疊加**和**壓縮態**等量子現象，突破這些限制。根據量子力學，測量一個物理量的極限不確定度（噪聲下限）可以因為使用特殊的量子態而降低，例如利用光場的壓縮真空態可以壓低一個正交分量的噪聲，從而超越經典“射頻光子噪聲極限”。此外，糾纏態感測器陣列可以實現超越獨立感測器平均的精度提升（Heisenberg極限，相較於經典感測的√N提升更快）。常見的量子測量包括原子鐘、量子磁力計、量子加速度計、量子雷達、干涉式重力計等。
量子測量的核心在於巧妙地準備一個對目標參數高度敏感的量子態，經過與被測參數的相互作用後，通過測量態的變化來推斷參數值。例如，原子鐘利用原子或離子的兩個能階之間的躍遷頻率作為時間標準，由於量子態演化的高穩定性，可以比傳統石英鐘準確數個數量級。再如量子磁力計常採用鍺原子氣體的自旋預測進行磁場感測，量子態的相位受外界磁場影響，通過干涉即可測得極微弱的磁場。量子測量理論還討論測量的極限，如量子克拉美-饒(lower bound)及量子費雪資訊等概念，用以描述在給定量子態下可達到的最優估計精度。
目前的技術進展與實作方式
量子測量/感測是量子技術中相對較為成熟的一支，一些實用裝置已經出現或正在開發中。最知名的例子是**原子鐘**：傳統銫原子鐘已運行數十年，而近年的光鐘（使用光頻躍遷，如鍶-光晶格鐘）精度更是達到驚人的$10^{-18}$量級，即在3億年內誤差不超過1秒。DARPA等機構還推動開發晶片級原子鐘（如ACES計畫），讓原子鐘小型化到可穿戴/可移動的程度。原子鐘的改進直接帶動GPS導航、電信同步等行業的效能提升。
在**量子磁力計**方面，利用冷原子、自旋陀螺儀或NV中心（金剛石氮-空位色心）的裝置，已實現對極微弱磁場（如人腦神經電流產生的femtotesla量級磁場）的測量。其中以NV中心為基礎的磁力顯微鏡可以在室溫操作，並提供奈米級空間解析度，被應用於觀測材料中的磁疇結構、生物分子標記等。光泵原子磁力計在醫學上則被用來取代超導量子干涉儀(SQUID)測量腦磁圖，裝置更簡便且不需液氦冷卻。
**量子加速度計/重力計**是另一活躍領域。基於冷原子幹涉儀的重力梯度儀已達到商用水平，美國的AOSense公司與NASA合作開發的量子重力梯度儀可以利用原子干涉來繪製局部引力場分佈，用於地下資源勘測或隱蔽目標探測。英國和法國的研究團隊也演示了車載的冷原子重力計原型，可在移動中量測地質構造。在導航方面，結合量子加速度計和量子陀螺儀有望提供無GPS依賴的高精度慣性導航系統。目前有多家歐洲初創如Quantum Navigation公司致力於此。
**量子雷達**（或稱量子illumination）利用糾纏光子提高雷達對低截面目標的偵測性能。理論上，量子雷達的訊噪比可達傳統雷達的4倍。中國、加拿大等國有進行量子雷達樣機的研製。不過，因為實際隱形目標的雷達截面複雜且干擾因素多，量子雷達能否真正帶來顛覆性優勢仍有待實測評估。
最後值得一提的是**量子計量標準**的進展。量子計量將基本物理常數引入國際單位制SI中——例如2019年起秒的定義以銫原子躍遷頻率為基礎，千克的定義改以普朗克常數固定值為基礎（透過量子電磁現象實現）。這些改變彰顯量子現象已成為人類最準確測量的根本。可以說，量子測量技術正悄然滲透到我們計量體系與高科技應用的方方面面。
應用領域與實際用途
量子測量技術的高精度特性，使其在多個領域有重要應用。首先在國防與安全上，精密的原子鐘和量子慣性導航可用於戰略武器或潛艇導航，避免對GPS的依賴；高靈敏磁場感測器可用於偵測隱蔽目標（如水下潛艇的磁簽）；量子重力梯度儀則可用於地下空洞或隧道探測。在地質與資源勘察中，量子重力計能比傳統重力計更快感知重力異常，用於油礦探勘或地震監測。在醫學成像領域，原子磁力計正嘗試用於腦磁圖（MEG），希望替代昂貴笨重的傳統技術，使得腦功能成像更普及。量子光學傳感器（比如基於壓縮光的干涉儀）則有機會應用於生物成像，降低光對樣品的擾動。
在時間頻率傳遞方面，擁有更精確的原子鐘也意味著可建立更精準的時間同步網路，用於金融高頻交易時間戳、電網同步等。特別是當量子鐘小型化後，可裝設於通信基站或伺服器機房，提供獨立於GPS的高精度時間源。在科研上，量子測量裝置是探索前沿物理的利器。例如利用原子干涉測試等效原理、檢驗引力理論，用超高精度光譜測量尋找物理常數隨時間漂移的跡象等。
整體而言，量子測量瞄準的是所有需要極致精度的場合。雖然一般日常應用對精度要求沒那麼高，但在尖端科技和產業中，測量精度的每一點提升都可能帶來質的飛躍。因此量子測量技術一方面服務於國防戰略等關鍵領域，另一方面也將隨著成本降低逐步下放，如高精度導航終端、醫療檢測設備等走入民用市場。
當前挑戰與未來發展趨勢
量子測量裝置要廣泛應用，仍需克服一些瓶頸。首先是**環境穩定性和可攜性**：許多高精度量子感測器對環境條件要求嚴苛，例如原子干涉儀需要在實驗室裡隔震運行，冷原子設備需要激光和真空系統，這些都限制了外場部署。為了解決這點，研究者正努力縮小系統尺寸並提高抗干擾能力，比如利用微機電系統(MEMS)技術製造小型真空腔或激光晶片。其次，**資料讀出與解讀**也是挑戰。量子感測器往往輸出大量高頻數據，需要即時的處理和濾波，以從中提取有意義的信號，這對電子硬體和演算法都提出要求。
另一層面，**標準化與認證**也是量子測量走向產業的必經過程。以原子鐘為例，各國計量院需要對新型光鐘進行比對認證，才能取代舊的銫鐘成為新的標準。對於醫療磁測設備，則需要經過臨床試驗和監管批准。這些過程都需要時間和努力。在量子雷達等軍事應用上，目前也缺乏公開的測試數據來證實其優越性。
展望未來，量子測量技術很可能與AI、自動控制等技術結合。例如使用機器學習來分析量子傳感器信號，濾除雜訊或辨識模式；或者用量子網絡將分散的感測器連接，構成協同的感測陣列，提高精度和覆蓋範圍（所謂的量子分散式感測）。一個值得關注的趨勢是多種量子感測器的集成，例如將原子鐘、加速度計、磁力計組成一個多功能量子探測平台，提供全面的信息感知。
總之，量子測量雖然低調但意義重大。根據Frost & Sullivan的分析，量子技術未來將催生超高靈敏度的感測器、原子鐘、通信與成像設備，徹底改變國防、安全、工業與醫療市場。隨著技術日益成熟、成本下降，我們有理由相信，量子測量設備將從實驗室走向更廣闊的天地，在未來的高科技基礎設施中扮演不可或缺的角色。
相關研究機構、公司或產品
量子測量/感測領域聚集了眾多頂尖的物理實驗室和創新公司。在時間頻率領域，美國國家標準技術研究院 (NIST) 的時間頻率分部、法國國家時間實驗室 SYRTE、日本情報通信研究機構 (NICT)等都在競逐開發新一代光鐘。商業方面，美國的 Microsemi (Microchip) 公司販售高性能原子鐘產品，瑞士Oscilloquartz等提供小型原子鐘以應用於電信。此外歐盟有頻率比對專案將多台光鐘通過光纖連網，比對精度達到10-18量級，這本身也是一種量子測量的應用。
量子磁力計和慣性感測方面，開發NV中心傳感的有如Qnami（瑞士）等初創公司，已推出基於NV探針的磁場成像裝置。美國的AOSense 公司是冷原子干涉儀應用的先鋒，產品線涵蓋原子慣導、重力計等。英國有M Squared公司與多所大學合作研製量子冷原子感測器，他們演示的便攜式重力計原型獲得廣泛關注。Boeing 和Lockheed Martin 等大型航太公司也對量子感測展現興趣，投入研究經費希望在下一代導航和探測系統中搶占先機。
在醫療方面，德國的 QuSpin 公司生產可放置於房間溫度環境的光泵原子磁計，用於腦磁圖試驗；澳洲的Quantum Brilliance 則開發基於鑽石量子色心的小型量子傳感器，聲稱未來可用於可穿戴醫療裝置。在量子雷達領域，加拿大國家研究委員會 (NRC)、中國電子科技集團等都有相關計畫。值得一提的是，各國國防部門普遍對量子感測抱以很大期望，因為它們多數不需要長期維護且抗干擾能力強，可以用於一些關鍵環境。
總體而言，量子測量的研發版圖橫跨學術與產業。許多技術起源於大學或國家實驗室，隨後透過初創公司或技術轉移推向應用。例如，牛津大學的研究衍生出 Oxford Quantum Circuits 公司（部分專注於量子射頻傳感），麻省理工的研究人員創辦了 Atom Computing 公司（開發原子陣列量子技術，包括感測）。各國的量子國家計畫也都將量子感測列為重點資助方向之一（例如美國國防預研局DARPA的量子感測專項）。可以預見，隨著技術突破和應用需求驅動，量子測量相關的產品和公司將在未來數年持續增加，形成新的高科技產業鏈。
王培儒