“這就好比孫悟空的分身術。一個孫悟空可以同時出現在多個地方，孫悟空的各個分身就像是它的疊加態?！敝锌圃涸菏俊⒅袊茖W技術大學教授潘建偉解釋道，“在日常生活中，一個人不可能同時出現在兩個地方。但在量子世界里，作為一個微觀的客體，它能夠同時出現在許多地方?！?

宏觀經典世界遵照的是經典力學規律，而在量子世界中，遵照的則是量子力學規律。在量子力學里，光子（量子的一種）可以朝著某個方向進行振動，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的疊加態?？茖W實驗證明，因為量子疊加效應的存在，一經測量就會破壞或改變量子的狀態。因此，如果拿一個儀器對量子進行測量，就會發現測量的結果完全隨機，對于相同狀態，無論觀察得多仔細，得到的結果永遠不同。

三把“尺子”——量子特性讓測量精度不斷提高

由于量子力學測不準原理的限制，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測量減少測量誤差，提高測量精度。近年來，人們發現利用量子力學的基本屬性，例如量子相干、量子糾纏、量子統計等特性，可以實現突破經典散粒噪聲極限限制的高精度測量，這就相當于找到了一把高靈敏度的量子“尺子”。

按照對量子特性的應用，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”是基于量子糾纏進行測量。

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

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

量子測量第二把“尺子”是基于量子相干性的測量技術，利用量子的物質波特性，通過干涉法進行外部物理量的測量?，F在已經廣泛應用于陀螺儀、重力儀、重力梯度儀等領域。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異特性，可以應用于高靈敏導航系統等。

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

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