精密測量：無盡的追求

　　 十幾年前，當數位戰略科學家聚首探討精密測量物理學科發展走向時，他們預判中國會一步步縮小和國際先進水平的差距，有一天會走在國際前沿，甚至引領發展。他們沒料到的是，這一天來得如此之快，當然也沒料到“卡脖子”同樣來得很快。

　　當下，世界正經歷百年未有之大變局，科研環境也發生了巨大變化。所幸十幾年前，在國家自然科學基金等的資助下，我國布局了一批前瞻性、引領性的基礎研究。

　　在國家自然科學基金重大研究計劃——“精密測量物理”項目穩定資助下，我國不僅在精密測量領域取得了多項“世界最好”“精度最高”的成就，凝聚、培養了一支隊伍，大大增強了在該領域的國際話語權和競爭力，還輻射帶動了相關學科發展。

▲華中科技大學研制冷原子重力儀，開展野外重力測量。

▲萬有引力常數測量裝置。

　　“算是對我們10年‘打工’的鼓勵吧。”談及“精密測量物理”重大研究計劃的研究成果對相關學科的引領帶動作用，中國科學院院士，華中科技大學、中山大學教授羅俊的語調中透著實現“小目標”的輕松。

　　實際上，這項超前布局的研究計劃僅醞釀謀劃就用了5年時間。此后在研10年，“聚隊伍、聚智慧、聚重點、聚資源、聚突破”，項目成果全面超越預期目標。

　　“十幾年前，國家自然科學基金支持一批科研人員開展精密測量物理研究確實很有開拓性。”羅俊告訴《中國科學報》，“這項研究計劃雖然圓滿結題了，但精密測量永無止境，精益求精是無盡的追求。”

　　破局，始于“香山科學會議”

　　2008年7月，第327次香山科學會議（創立地點及會址在北京香山）破例在位于湖北省武漢市的華中科技大學召開。7位院士、50余位物理學家相聚喻家山，參加為期3天的“精密測量物理和方法”主題研討會。

　　“在香山科學會議之前，葉老師（中國科學院院士葉朝輝）和幾位專家動念提出開展‘精密測量物理’研究，是因為我們遇到了一些問題。”羅俊回憶說，“當時我國很多學科面臨怎樣向前沿延伸的困境。一個嚴峻的現實是，我們的科研儀器基本全靠進口。別人生產的儀器賣給我們之前，實驗室里該做的研究都做完了，我們一直跟在后面做，這樣很難觸及科學最前沿。”

　　沒有自己的儀器，躋身前沿都很難，更別說超越引領。科研儀器如此重要，但問題是，這種尖端的科研儀器誰來研制？在此背景下，葉朝輝等人提出了“精密測量物理”的概念。

　　“我們現在對‘精密測量物理’有很多期待，賦予它很多內涵。但當時的出發點和最基本的想法就是做出一套最先進的儀器給科學家用。”羅俊說，“要挺進學科最前沿，驗證物理學家的想法，進行實驗研究，必須有自己的儀器設備。”

　　香山科學會議后，葉朝輝、羅俊等人在國家自然科學基金支持下，開始推動重大研究計劃立項，在數理科學部的主持下，組織雙清論壇進行論證。

　　2013年，“精密測量物理”重大研究計劃獲準立項。

　　引領，輻射學科帶動人才

　　按照該重大研究計劃最初的設計，研究目標分為三部分。一是精密測量工具儀器研制，以時間頻率測量為代表，將光頻這些和國際水平差距較大且非常基礎的測量儀器“做上去”；二是在更高精度上測量物理基本常數并檢驗物理基本規律，這是精密測量物理的難點和重點；三是研究精密測量新體系，發展新方法和新技術，不斷突破測量極限，包括突破標準量子極限等。實際上，在該重大研究計劃執行的10年中，他們不僅圓滿完成了三大目標，還屢屢取得突破性進展，獲得多項“世界最好”“精度最高”的成就。

　　“這項重大研究計劃的特點之一是帶動了整個中國精密測量物理學科的發展。”中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員詹明生說，“也帶動了其他一些項目，輻射和延伸到了相關領域，比如影響了中國科學院的先導科技專項，帶動基于原子分子的物理研究向精密測量物理延伸。”

　　中國科學院國家授時中心研究員張首剛認為，該重大研究計劃的意義在于10年前就有了明確目標，把精密測量這項前沿基礎研究和國家戰略需求相結合，從而做出一系列方向性、引領性的研究工作。

　　“通過國家自然科學基金項目牽引，這些年我國精密測量物理研究隊伍不斷壯大，并從基礎研究向前沿基礎研究推進。”張首剛說，“我們不但超額完成了該重大研究計劃的各項指標，還產生了原創性的想法，取得一批‘國際首次’級的成果，并在部分領域領先國際。”

　　“量子精密測量是精密測量物理的一個前沿方向，很多微弱信號測量，比如引力波探測、量子操控、原子分子和光物理等研究都離不開精密測量。”上海交通大學教授張衛平補充道，“這個項目將我們的學術生涯和國家戰略需求完美對接起來，我覺得最大成果之一是凝聚并培養了一支隊伍。”

　　清華大學教授尤力同樣認為，這是個高瞻遠矚的研究計劃。“過去四五年，國際科研環境發生了巨變，出現了更多的不確定性。我們必須科學上自主、技術上獨立。好在我們進行了預研，建立了這么一支隊伍。”

　　求精，追求永無止境

　　精密測量物理對實驗條件要求極高，數千米外的振動、電流波動、地球磁場，甚至空氣溫濕度都會影響測量精度。為避免外界擾動，30多年前，羅俊等人就將實驗室建在位于喻家山的一個山洞里。

　　在羅俊團隊的引力常數測量進行到關鍵時期時，地方政府按規劃準備在喻家山下修一條路。

　　“修路會引發兩個問題：一是山體穩定性發生變化，這些微小變化會導致實驗環境不穩定；二是修路過程中及修好后，車輛經過產生的震動會影響測量精度。”

　　了解到羅俊的擔憂，華中科技大學和武漢市都非常支持實驗研究。最后，武漢市調整道路規劃，終止了道路修建。

　　得益于安靜的實驗環境，羅俊團隊測出了世界上測量精度最高的G值（引力常數）。至今，該數值仍保持著世界第一的紀錄。

　　“精密測量物理要測的通常是非常小的數值，它無限趨近于‘0’，但永遠不會達到‘0’。例如，我們進行粒子、量子、多粒子糾纏等前沿研究，背景補償（抵消環境磁場的影響）做得越好，測量結果就越準。”尤力感慨地說，“我們測一個量，總希望向小數點后再多推一位，但最終要推到什么地方、推到什么程度，沒有人知道。所以精密測量物理沒有止境，需要長期堅持，也需要長期支持。”

　　“精密測量的本質是永無盡頭。”羅俊說，“精密永無止境。這種無限精密、精益求精的特點造就了精密測量物理研究者不斷提高精度、不斷開發新技術，挑戰新極限的信念。”

　　傳承，精密測量精神

　　“我們常說十年磨一劍，從事精密測量物理研究真的需要長期積累。”華中科技大學教授胡忠坤說，“它需要10年、20年，甚至更長時間才有可能見到成效，因此研究者要耐得住寂寞，但也需要得到長期穩定的支持。”

　　“精密測量物理有兩個特點：一是高精尖，二是研究周期特別長。”山西大學教授張靖補充說。

　　20世紀90年代初，張靖還在華中科技大學讀本科，有時會到位于喻家山山洞的實驗室上課。他記得當時山洞兩邊都是實驗室，里面很安靜，感覺很神秘。

　　“精密測量物理研究不是三兩個人花兩三年時間就能取得成果的。羅老師選擇在山洞里做實驗，還帶出一支隊伍，一步步把精度提高再提高，確實很有魄力。”張靖說。

　　“我們國家的科學研究已經形成了嶄新的局面，上了一個歷史性的新臺階。現在我們山洞的實驗條件是30年前根本無法想象的，每個實驗室都‘鳥槍換炮’，不知道好到哪兒去了。”羅俊說，“但當初也沒覺得條件多艱苦，因為有興趣、有追求，希望能精益求精，所以并未在意‘苦’還是‘不苦’。”

　　“進行精密測量物理研究，總是想精益求精，把精度提高點，再提高點。”清華大學教授尤力對《中國科學報》說，“進實驗室打開儀器，我們就知道北京地鐵4號線列車什么時間進站、什么時間出站，地鐵運轉產生的磁場會嚴重影響原子能級……”

　　盡管北京地鐵4號線從清華大學、北京大學兩所高校旁通過時采取了一系列減震措施，但輕軌列車進站減速、出站加速時電流變化產生的磁場，還是會影響1.5公里外清華大學的原子分子與光物理實驗。

　　磁場變化會引起原子能級移動，給光學測量帶來不確定性，使科學家無法判斷是否出現了誤差。雖然研究人員已經習慣在夜深人靜時做實驗，但很多擾動仍無法避免。

　　“我們做原子分子與光物理研究時，原子的磁矩就像一塊小磁石，它周圍的磁場擾動會讓原子磁矩抖動，導致測量信號不確定。”尤力說，“環境中各種擾動、噪聲、磁場等都會影響測量結果。”

　　尤力團隊曾對實驗室環境進行檢測，不只地鐵4號線列車進出站，包括地球磁場、實驗室照明電路，甚至光學實驗平臺上的金屬器件（螺絲釘、鉆頭等）所帶磁性都會影響測量精度。

　　“這些磁場是‘躲不掉’的，那就想辦法把它‘干掉’。”尤力說。

　　在多次測量、分析、計算的基礎上，尤力團隊創造性地應用了“背景補償”這樣一個解決方案。

　　簡單地說，就是針對一些無法改變的干擾因素，比如地球磁場、實驗室電流磁場等，研究人員先測出環境磁場強度，計算出平均值，然后繞制一個通電線圈，使其產生相反的磁場，用“前置反饋”的手段，將環境磁場的磁力抵消。

　　“用‘前置反饋’補償（抵消）背景磁場是個亮點。”中國科學院院士，華中科技大學、中山大學教授羅俊說，“雖然‘前置反饋’不是新概念，但要把它做成，需要很好地掌握背景磁場，用它解決問題簡單、高效。”

　　“我們用的物理概念并不新鮮，但它能解決實際問題。”尤力說，“我們用一塊電路板就解決了問題，同很多兄弟單位分享了這項技術，能為大家做點事我很高興。”

　　在反饋補償技術的“加持”下，尤力團隊取得了一系列重要突破。他們突破了標準量子極限測量非經典雙數態新體系，解決了雙數態確定性制備難題，該體系在原子數、原子數漲落、壓縮系數以及相干性等多項重要指標上遠超國際同類實驗。

　　團隊通過調控量子相變過程，解決了傳統動力學制備方法所存在的問題，在國際上首次確定性地制備了大粒子數雙數態87Rb原子玻色愛因斯坦凝聚體。目前，該實驗平臺能在40秒內確定性地制備約1萬個粒子組成的多體糾纏態，從非糾纏的初態到雙數態凝聚體的轉換效率高達（96±2）%。該雙數態的量子噪聲的壓縮度為（13.3±0.6）dB，是國際同類實驗中最好的指標。雙數態的相干性更是達到了接近理想值的0.99，遠優于此前國際上最好的0.9。由此，實驗可以表征的糾纏粒子數也是目前能確定性制備量子糾纏數目的世界紀錄。

　　這項工作大大提高了雙數態在精密測量中的實用性，首次驗證了量子相變可以作為制備多體量子糾纏態的有效手段，為糾纏態的制備提供了新思路。

　　追求極限, 刷新“鈣幫”世界紀錄

　　近年來，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員高克林團隊研制出不確定度為 3×10-18（相當于105億年不差1秒）、穩定度為6.3×10-18@524000s的鈣離子光頻標，成為第五種不確定度指標達10-18水平的光頻標、第二種穩定度達10-18量級的離子光頻標，并研制出目前搬運距離最遠的光鐘，實現精度達到10-16的鈣離子光頻的溯源測量。該成果被國際時間頻率咨詢委員會推薦為次級秒定義。

　　“鈣離子有很多優點，比如其光頻躍遷是搭建高精度光頻標的理想參考，可有效抑制離子特有的微運動頻移。其離子的量子態制備、激光冷卻及鐘躍遷探測所用的激光均可用商品化的半導體激光器發射，因此極有可能實現廣泛應用。”高克林說，“但是鈣離子光頻標也面臨兩個世界級難題：一是鈣離子對磁場非常敏感；二是鈣離子在室溫下對黑體輻射效應（環境溫度）敏感。”

　　頻率標準研究對外場控制（環境中各種效應，如振動、噪聲、磁場和溫度等）的要求非常高，國際上許多光頻標研究機構已經放棄參考鈣離子搭建高精度光頻標。目前，國際上僅有鍶原子光頻標、鐿原子光頻標、鋁離子光頻標，以及鐿離子光頻標的不確定度達到10-18量級。

　　“能否直面這些國際難題，將鈣離子光頻標推進至更高精度是我們面臨的艱巨挑戰。”高克林說，“在葉朝輝、羅俊院士領導的精密測量項目專家組與頻標科學家王義遒、王育竹、李天初等人的關心和支持下，我們一步步解決了這些難題，將鈣離子光頻標推至國際第一方陣。”

　　為進一步提高鈣離子光頻標的性能，研究人員通過改進鐘躍遷激光性能，建立了第二臺鈣離子光頻標并進行比對，大幅降低了電四極頻移、光頻移和微運動頻移，實現了不確定度達5.5×10-17、穩定度達7×10-17的鈣離子光頻標。2018年，團隊通過“魔幻射頻囚禁場”抑制了微運動頻移，又通過降低黑體輻射頻移、改進光頻標伺服軟件等措施，進一步將鈣離子光頻標不確定度提升至2.2×10-17。2019年，通過對兩臺鈣離子光頻標長達31天的頻率比對，研究人員測得穩定度達到6.3×10-18@524000s。

　　為降低鈣離子光頻標黑體輻射頻移的影響，團隊將離子阱置于液氮低溫環境中，使黑體輻射頻移對溫度的敏感度降低了約兩個數量級。與國際上采用的液氦系統相比，液氮系統造價低廉、操作簡單。但缺點是使用中液氮會蒸發，系統運行時液氮容積變化易造成離子位置移動，從而導致熒光信號損失。

　　為解決低溫系統問題，研究人員反復迭代和糾錯，并采用清華大學教授尤力團隊的“前置反饋”技術，大幅降低了背景磁場噪聲。最終，該團隊在國際上首次實現了液氮低溫鈣離子光頻標，不確定度達到3×10-18。

　　2020年，該團隊實現鈣離子光頻標系統集成、可靠和高精度運行等關鍵技術突破，研制出一臺精度24億年偏差不到1秒的可搬運鈣離子光鐘，首次將鈣離子光頻測量精度推進到國際最高水平，并實現從武漢到北京千公里級車載搬運。

　　“研究鈣離子的人稱自己為‘鈣幫’。”高克林說，“在實驗關鍵時期，大家加班輪崗的故事很多，但沒人覺得辛苦，因為熱愛，所以樂在其中。”

　　在精密測量領域實現量子優勢

　　前不久，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉，中國科學技術大學教授陸朝陽等基于“九章二號”中自主設計的受激雙模量子壓縮光源，結合非線性干涉儀，提出并演示了一種新方案來實現可擴展的、無條件的、魯棒的量子精密測量優勢。相關成果發表于《物理評論快報》。

　　“實際上，該成果是在‘精密測量物理’重大研究計劃前期工作的基礎上衍生出的一項新成果。”陸朝陽告訴《中國科學報》。

　　“精密測量物理”重大研究計劃有幾個子研究方向，其中中國科學技術大學團隊的目標更具探索性質，主要是基于單光子和糾纏光子探索精密測量的新原理、新方法。在研期間，團隊基于高品質單光子和多光子糾纏突破超越標準量子極限，在國際上首次同時解決了單光子源的三個關鍵問題，實現國際上綜合性能最優秀的單光子源。

　　“制備單光子源是這個重大研究計劃中的一項代表性工作。”陸朝陽解釋說，“進行量子精密測量或量子計算時，有用的是單光子源。這就像幼兒園小朋友‘排排坐’，如果有100個小朋友，每個小朋友坐一條板凳是理想狀態。但自然界的光源（燈光或陽光）是熱光源，它們衰減之后只有約8%是單光子（相當于一個小朋友坐一條板凳），約90%是‘空板凳’，另有2%是兩個或多個光子（一條板凳上坐多個人）。在量子技術中，‘空板凳’無法用于測量，而一條板凳坐多個人會引起測量誤差。因此，科學家要在實驗室通過主動量子調控制造一種非經典的量子光源。”

　　精密物理測量往往會受一些在原理上都無法避免的“散粒噪聲”的影響。因此，任何測量都存在精度極限。不過，量子光源可以打破這種物理極限。

　　中國科學技術大學團隊用制備出的新光源進行測量，發現它比之前用激光光源測量的精度提高了0.6dB，而且首次實現了強度壓縮。此后，該團隊又研發出“九章”系列光量子計算原型機。在“九章二號”的相關研究中，團隊受到激光的啟發，發明了一種受激輻射放大量子光源的新方法。在調節這種新光源的位相時，他們意外發現數據對相位特別敏感。

　　“我們當時靈機一動，想利用這個現象做量子精密測量。”陸朝陽說。

　　抱著試試看的想法，研究人員基于“九章二號”中自主設計的受激雙模量子壓縮光源，結合非線性干涉儀，提出了一種新方案來達到海森堡極限。該方案同時具有可擴展性、無條件優勢、對外部光子損失魯棒等優點。在未扣除任何實驗噪聲的情形下，在相位測量實驗中直接觀察到的單光子信息量（用于衡量測量的精度），達到了目前國際最高水平。

　　精密物理測量領域有一個共識：如果把精度向前推進一個數量級（10倍），就有可能發現新物理、新規律。這一次，中國科學技術大學團隊基于量子受激光源發展出新的量子精密測量技術，將測量精度極限提高了5.8倍。

　　“學術界將量子計算在特定問題上的能力超越經典的超級計算機的里程碑稱為‘量子計算優越性’。現在，類似的，我們又首次實現了‘量子精密測量優越性’。”陸朝陽說，“這有點像立體農業中塘中養魚、塘泥肥田，在國家的整體布局下，量子信息的基礎研究不僅開花結果，還可催生肥魚。”