《名家專欄》量子科技在光電領(lǐng)域的應(yīng)用
引言
量子科技，作為21世紀(jì)*具顛覆性的科技之一，正以前所未有的方式推動(dòng)著諸多領(lǐng)域的飛速發(fā)展。光電領(lǐng)域作為現(xiàn)代科技的重要組成部分，正積極擁抱量子科技帶來的革命性突破。從醫(yī)療成像到能源充電，從精準(zhǔn)的時(shí)頻測量到國防中的量子傳感，量子科技正在為這些領(lǐng)域中光電技術(shù)的應(yīng)用注入新的活力。本篇文章將詳細(xì)探討量子科技在光電領(lǐng)域的應(yīng)用，聚焦量子醫(yī)療成像、量子充電、原子鐘、量子測量以及量子傳感在國防中的潛力和前景。
正文
一、量子成像（醫(yī)療領(lǐng)域）
量子科技對(duì)三個(gè)關(guān)鍵成像領(lǐng)域的深遠(yuǎn)影響：醫(yī)學(xué)成像、高端顯示和量子增強(qiáng)光學(xué)相干斷層掃描（OCT）。每個(gè)領(lǐng)域通過量子創(chuàng)新，獲得了前所未有的精度、清晰度和能效。
1. 量子科技在醫(yī)學(xué)成像中的應(yīng)用
醫(yī)學(xué)成像是受益于量子科技的*重要領(lǐng)域之一。量子增強(qiáng)系統(tǒng)承諾提供更早期的疾病檢測、更高分辨率的內(nèi)臟圖像，以及減少有害輻射暴露的更安全的成像技術(shù)[1]。
圖1 醫(yī)療成像技術(shù)[1]
1.1 用于增強(qiáng)診斷的量子成像技術(shù)
量子成像將通過提供超越經(jīng)典成像技術(shù)極限的靈敏度和精度來徹底改變醫(yī)學(xué)診斷。量子增強(qiáng)成像可以檢測以前難以觀察的細(xì)微生物結(jié)構(gòu)。
量子成像的主要方法之一是利用量子糾纏。糾纏光子可以增強(qiáng)成像系統(tǒng)的靈敏度，減少典型的醫(yī)療成像設(shè)備（如X射線或超聲波）中的噪聲。例如，量子成像利用糾纏光子創(chuàng)建高分辨率圖像，而無需主要檢測系統(tǒng)直接與對(duì)象相互作用。這項(xiàng)技術(shù)可以減少對(duì)生物組織的損害風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)獲得更清晰的圖像[2]。
圖2 量子增強(qiáng)成檢測生物流程圖[2]
圖3 量子增強(qiáng)成像觀察生物圖[2]
1.2 量子磁共振成像（MRI）
量子科技有望顯著改善磁共振成像（MRI），這是*常見的無創(chuàng)成像方法之一。通過使用如鉆石中的氮-空位色心（NV色心）等量子傳感器，研究人員可以精確測量磁場，從而提供分子水平上的更詳細(xì)圖像[3]。
量子增強(qiáng)的MRI技術(shù)使軟組織成像更加準(zhǔn)確，有助于更早期地檢測癌癥、心血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病。這些進(jìn)步還減少了掃描所需的時(shí)間，從而為患者提供更舒適的體驗(yàn)。
圖4 MRI技術(shù)檢測細(xì)胞[3]
1.3 正電子發(fā)射斷層掃描（PET）和量子傳感器
量子科技可以增強(qiáng)正電子發(fā)射斷層掃描（PET），這是用于檢測癌癥、腦部疾病和心臟病的成像技術(shù)，通過跟蹤體內(nèi)放射性示蹤劑的分布來實(shí)現(xiàn)。量子傳感器可以提高PET檢測器的分辨率和靈敏度，從而以更低的輻射劑量獲得更清晰的圖像。
量子增強(qiáng)的檢測器減少了所需的放射性示蹤劑數(shù)量，通過限制輻射暴露提高了患者的安全性，同時(shí)仍然能產(chǎn)生高分辨率的圖像。量子科技還改進(jìn)了PET掃描過程中產(chǎn)生的微弱信號(hào)的檢測，提供了更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)解讀。
1.4 生物光子學(xué)中的量子光子技術(shù)
量子光子技術(shù)在推動(dòng)生物光子學(xué)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用，生物光子學(xué)研究光與生物組織的相互作用。量子成像技術(shù)如量子增強(qiáng)熒光顯微鏡和拉曼光譜允許研究人員以更高的分辨率觀察分子和細(xì)胞過程。例如，量子熒光顯微鏡可以實(shí)時(shí)跟蹤單個(gè)分子的行為，提供有關(guān)細(xì)胞生物學(xué)、蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)和藥物相互作用的見解。這種技術(shù)在癌癥研究中特別有用，識(shí)別分子變化可以促進(jìn)早期診斷和靶向治療。
2. 量子科技在高端顯示中的應(yīng)用
量子科技在高端顯示中的應(yīng)用已經(jīng)革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品，提高了色彩準(zhǔn)確度、亮度和能效。在這場革命的核心是量子點(diǎn)（QDs），這是一種半導(dǎo)體納米晶體，具有傳統(tǒng)顯示技術(shù)無法比擬的獨(dú)特光學(xué)特性[4]。
圖5 量子科技下高端顯示[4]
2.1 量子點(diǎn)提升色彩和亮度
量子點(diǎn)在將光轉(zhuǎn)換為特定波長方面極其高效，產(chǎn)生的色彩鮮艷、準(zhǔn)確，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)顯示器。當(dāng)用于量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）顯示器時(shí)，量子點(diǎn)提供了以下優(yōu)勢：
更高的色彩準(zhǔn)確度：通過調(diào)整量子點(diǎn)的大小，QLED顯示器能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)LED或OLED顯示器更廣泛的色域。這項(xiàng)技術(shù)特別受到高端電視、監(jiān)視器和智能手機(jī)的青睞。
提高的亮度和對(duì)比度：量子點(diǎn)還可以增強(qiáng)亮度，在高環(huán)境光條件下提供更好的對(duì)比度和可見性，使其非常適合戶外觀看或明亮的房間。
節(jié)能高效：量子點(diǎn)在光轉(zhuǎn)換方面非常高效，從而降低了功耗。QLED顯示器使用更少的能源來產(chǎn)生更亮和更準(zhǔn)確的色彩，延長了設(shè)備的使用壽命，同時(shí)保持高性能。
2.2 在消費(fèi)電子中的應(yīng)用
量子點(diǎn)現(xiàn)已成為許多高端消費(fèi)設(shè)備的核心，提供了增強(qiáng)的視覺體驗(yàn)。領(lǐng)先的電視制造商如三星和索尼已在其高端型號(hào)中采用了QLED技術(shù)，支持4K和8K分辨率以及HDR（高動(dòng)態(tài)范圍），以提供出色的畫質(zhì)。這項(xiàng)技術(shù)在游戲、攝影和媒體制作等行業(yè)中特別受歡迎，這些行業(yè)需要高分辨率顯示器以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的圖像和視頻呈現(xiàn)。
除了電視，量子點(diǎn)還越來越多地用于智能手機(jī)顯示屏和計(jì)算機(jī)顯示器中，在這些領(lǐng)域中，緊湊且節(jié)能的顯示屏尤為重要。下一代的可折疊和柔性顯示屏預(yù)計(jì)也將受益于量子點(diǎn)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)新的形態(tài)，而不影響視覺性能。
2.3 在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）中的新興應(yīng)用
量子增強(qiáng)顯示器正在成為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，這些技術(shù)要求高像素密度、快速響應(yīng)時(shí)間和生動(dòng)的色彩再現(xiàn)，以創(chuàng)造沉浸式體驗(yàn)。量子點(diǎn)技術(shù)能夠在AR眼鏡和VR頭顯中產(chǎn)生清晰的圖像，具有出色的亮度和對(duì)比度，在不同的光照條件下也能表現(xiàn)出色。
量子點(diǎn)顯示屏的低功耗也延長了便攜式AR和VR設(shè)備的電池壽命，使其在日常使用中更加實(shí)用。隨著AR和VR在游戲、醫(yī)療保健、教育和設(shè)計(jì)等行業(yè)中的整合，量子增強(qiáng)顯示器將在確保這些應(yīng)用成功中發(fā)揮重要作用[5]。
圖6 量子增強(qiáng)顯示器[6]
3. 量子增強(qiáng)光學(xué)相干斷層掃描（OCT）
光學(xué)相干斷層掃描（OCT）是一種常用于眼科、皮膚科和心血管成像的非侵入性成像技術(shù)。OCT通過測量反射光的時(shí)間延遲和強(qiáng)度來提供生物組織的高分辨率橫截面圖像[6]。
圖7 OCT檢測眼睛示意圖[6]
量子增強(qiáng)的OCT利用了如壓縮光和量子糾纏等量子特性，實(shí)現(xiàn)比經(jīng)典OCT系統(tǒng)更高的精度和靈敏度。這些進(jìn)步帶來了更清晰、更詳細(xì)的圖像，有利于醫(yī)學(xué)診斷和科學(xué)研究。
3.1 壓縮光降低噪聲
在傳統(tǒng)的OCT中，散粒噪聲——光子的隨機(jī)波動(dòng)——可能限制圖像的分辨率和對(duì)比度。量子增強(qiáng)的OCT系統(tǒng)使用壓縮光，這是一種在某些參數(shù)上噪聲降低的光形式，以抑制散粒噪聲并提高圖像質(zhì)量。
壓縮光能更準(zhǔn)確地檢測反射光的相位和強(qiáng)度，從而使生物組織的圖像更加清晰、細(xì)膩。這項(xiàng)技術(shù)在眼科領(lǐng)域尤為重要，在視網(wǎng)膜疾病如老年性黃斑變性或青光眼的早期檢測中可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。
3.2 量子糾纏提高分辨率
通過使用糾纏光子，量子增強(qiáng)的OCT系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)比經(jīng)典方法更高的分辨率成像。糾纏光子保持彼此之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)，即使它們相距甚遠(yuǎn)。這個(gè)特性使得對(duì)從樣本返回的光的測量更加精確，從而獲得更清晰、更詳細(xì)的圖像。
在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，量子增強(qiáng)的OCT可以深入了解組織的微觀結(jié)構(gòu)，幫助早期診斷癌癥、心血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。這種增強(qiáng)的分辨率在皮膚科領(lǐng)域也有顯著的應(yīng)用，識(shí)別皮膚組織中的微小變化可以促成早期且更準(zhǔn)確的治療，如黑色素瘤的檢測。
3.3 眼科和心血管成像中的應(yīng)用
量子增強(qiáng)的OCT在眼科領(lǐng)域已成為必不可少的工具，高分辨率成像對(duì)診斷和監(jiān)測糖尿病視網(wǎng)膜病變、黃斑變性和青光眼等疾病至關(guān)重要。量子科技提供的更高靈敏度使這些疾病得以早期檢測，可能避免視力喪失并改善患者的預(yù)后。在心血管成像中，OCT用于可視化動(dòng)脈結(jié)構(gòu)并檢測如動(dòng)脈粥樣硬化等疾病。量子增強(qiáng)的OCT系統(tǒng)可以提供動(dòng)脈斑塊的更清晰圖像，幫助醫(yī)生更好地判斷是否需要支架或手術(shù)等治療。
3.4 科學(xué)研究中的量子OCT
除了醫(yī)學(xué)應(yīng)用，量子增強(qiáng)的OCT還是科學(xué)研究中的寶貴工具。在材料科學(xué)中，量子OCT可以用來在微觀水平上檢查材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提供有關(guān)材料在不同壓力或環(huán)境下表現(xiàn)的特性。在生物物理學(xué)中，量子增強(qiáng)的OCT允許研究人員研究活組織內(nèi)發(fā)生的復(fù)雜過程，如胚胎發(fā)育或癌細(xì)胞的行為。通過提供詳細(xì)的、非侵入性的成像，量子OCT為在細(xì)胞和分子水平上研究生物系統(tǒng)開辟了新途徑。
二、量子光源（能源領(lǐng)域）
量子科技有望在能源領(lǐng)域帶來變革性的發(fā)展，特別是在兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：量子充電和提高太陽能電池的效率。這些創(chuàng)新將極大地提升能源的采集、存儲(chǔ)和利用方式，推動(dòng)更加可持續(xù)且高效的能源解決方案，塑造未來的能源格局。
1. 量子充電技術(shù)的應(yīng)用
量子科技*令人興奮的應(yīng)用之一就是量子充電。傳統(tǒng)的充電方式依賴經(jīng)典過程向儲(chǔ)能設(shè)備（如電池）傳輸能量，這種方式在速度和效率上存在固有的局限性。而量子充電則利用量子力學(xué)的獨(dú)特特性——例如疊加和糾纏，大幅提升充電過程的效率。量子電池的工作原理是：多個(gè)能量態(tài)可以同時(shí)存在，從而允許更快的能量傳輸。在傳統(tǒng)電池中，能量通常是逐個(gè)單位地轉(zhuǎn)移，這意味著電池的充電時(shí)間隨著電池容量的增加呈線性增長。然而，量子電池能夠利用量子疊加效應(yīng)同時(shí)充電多個(gè)能量單元，從而以指數(shù)級(jí)縮短充電時(shí)間[7]。
圖8 量子充電技術(shù)[7]
此外，量子糾纏在量子充電中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它將電池的不同部分的量子態(tài)聯(lián)系在一起。這意味著向電池的一個(gè)部分輸入能量可以即時(shí)影響其他部分，這種現(xiàn)象打破了經(jīng)典物理的限制。結(jié)果不僅是顯著的充電速度提升，還帶來了更加高效的能量傳輸過程，減少了能量損失。例如，研究表明，量子電池可以實(shí)現(xiàn)超快充電，大大縮短電動(dòng)汽車或大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電時(shí)間。這一突破可以徹底改變依賴電池技術(shù)的行業(yè)，從消費(fèi)電子到可再生能源系統(tǒng)，通過使能源儲(chǔ)存更能響應(yīng)需求、顯著減少停機(jī)時(shí)間來提升整個(gè)行業(yè)的效能[8]。
量子充電的應(yīng)用影響不僅限于便利性，在可再生能源領(lǐng)域，如太陽能或風(fēng)能，這類能源通常會(huì)間歇性地產(chǎn)生能量。量子電池可以在多余能源生產(chǎn)的時(shí)期，實(shí)現(xiàn)更加高效的能量儲(chǔ)存。通過減少儲(chǔ)能所需的時(shí)間，量子電池可以在較短時(shí)間內(nèi)捕獲和存儲(chǔ)更多的能量，從而使可再生能源更加可靠。此外，預(yù)計(jì)這些電池在使用過程中將減少退化，這是傳統(tǒng)電池的一個(gè)常見問題，進(jìn)而延長其使用壽命，減少頻繁更換的需求。這使得量子電池不僅充電更快，也更加可持續(xù)，符合全球減少浪費(fèi)和提高能源效率的目標(biāo)。
2. 提高太陽能電池效率的量子科技
除了在儲(chǔ)能方面的突破性進(jìn)展，量子科技還擁有極大的潛力顯著提高太陽能電池的效率，這一技術(shù)在可再生能源領(lǐng)域至關(guān)重要。傳統(tǒng)的基于硅的太陽能電池已經(jīng)接近其效率極限，通常只能將約20-30%的陽光轉(zhuǎn)換為可用電力[9]。然而，量子科技，特別是量子點(diǎn)和量子相干性，為突破這些效率障礙提供了有前景的解決方案。
量子點(diǎn)（QDs）是可以根據(jù)其大小吸收和發(fā)射不同波長光的半導(dǎo)體納米晶體，這種特性使它們在多結(jié)太陽能電池中得到應(yīng)用，能夠比傳統(tǒng)太陽能電池吸收更廣范圍的光譜[10]。在傳統(tǒng)的硅太陽能電池中，大部分陽光（尤其是紅外線和紫外線部分）要么沒有被吸收，要么被低效地轉(zhuǎn)換。而量子點(diǎn)可以被調(diào)諧以捕捉這些原本被浪費(fèi)的光譜部分，從而顯著提高效率。例如，通過疊加設(shè)計(jì)為吸收不同波長光的量子點(diǎn)層，太陽能電池可以實(shí)現(xiàn)超過40%的效率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前技術(shù)的限制。這一創(chuàng)新可以徹底改變太陽能發(fā)電，使其在全球范圍內(nèi)成為更具競爭力的替代化石燃料的能源。
量子點(diǎn)還具有多激子生成（MEG）的優(yōu)勢[11]，即一個(gè)光子可以生成多個(gè)電子-空穴對(duì)，從而大幅增加相同太陽光的電力輸出。這與經(jīng)典太陽能電池中的單光子生成一個(gè)電子-空穴對(duì)的機(jī)制有顯著不同。通過實(shí)現(xiàn)多激子生成，量子點(diǎn)使太陽能的轉(zhuǎn)換效率大幅提升，進(jìn)一步增強(qiáng)太陽能電池的整體性能。能夠從相同的光輸入中生成更多的電流，使基于量子點(diǎn)的太陽能電池不僅效率更高，而且成本效益更佳，因?yàn)樗鼈儫o需增加相應(yīng)的材料或生產(chǎn)成本就能產(chǎn)生更多的電力。
另一種提升太陽能電池效率的量子效應(yīng)是量子相干性，這種現(xiàn)象已在自然界的光合作用中觀察到。在某些生物系統(tǒng)（如植物和藻類）中，量子相干性允許從陽光中捕獲的能量以*優(yōu)方式傳輸[12]。通過這一量子現(xiàn)象，能量可以通過多條路徑同時(shí)傳輸，確保其更有效地到達(dá)目標(biāo)。受自然界啟發(fā)，科學(xué)家們正在探索如何將量子相干性引入人工太陽能電池中，以優(yōu)化電池內(nèi)部的能量傳輸。通過在吸光分子之間保持相干性，太陽能電池可以*大限度地減少能量損失，并提高整體的轉(zhuǎn)換效率。這一突破可能會(huì)導(dǎo)致一類效仿自然界高效光合作用的全新高效太陽能電池的誕生，為新一代太陽能技術(shù)提供了藍(lán)圖。
除了這些量子效應(yīng)，上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換技術(shù)也可以進(jìn)一步提升量子太陽能電池的性能[13]。上轉(zhuǎn)換是指將低能量的光子（如紅外光）轉(zhuǎn)換為高能量光子，使太陽能電池能夠吸收更多紅外光譜的能量，而這一部分能量通常在傳統(tǒng)太陽能電池中被浪費(fèi)掉。下轉(zhuǎn)換則是將高能量光子分裂成多個(gè)低能量光子，這些光子可以更有效地轉(zhuǎn)換為電力。通過同時(shí)使用上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換技術(shù)，量子增強(qiáng)的太陽能電池能夠捕獲更廣范圍的光譜，從而進(jìn)一步提高其效率，使它們與傳統(tǒng)能源相比更具競爭力。
量子點(diǎn)、量子相干性以及先進(jìn)的光子轉(zhuǎn)換技術(shù)的結(jié)合，可以促進(jìn)新一代太陽能電池的研發(fā)，使得新電池的效率遠(yuǎn)高于目前*佳性能的電池。這些創(chuàng)新技術(shù)不僅可以應(yīng)用于大規(guī)模太陽能發(fā)電廠，還可以應(yīng)用于小型便攜式太陽能電池板。此外，量子增強(qiáng)的太陽能電池還可以與建筑集成光伏（BIPV）結(jié)合[14]，如窗戶和外墻，為建筑提供發(fā)電和美觀、結(jié)構(gòu)完整性兼顧的多重功能。這可以將城市景觀轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉瓷a(chǎn)環(huán)境，顯著減少城市的碳足跡，并為全球可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
雖然量子科技在太陽能電池和儲(chǔ)能方面仍處于研究和開發(fā)階段，但目前取得的進(jìn)展表明了一個(gè)光明的未來。將量子充電技術(shù)融入儲(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更快、更高效且可持續(xù)的能源基礎(chǔ)設(shè)施，而量子增強(qiáng)的太陽能電池可以提供所需的效率突破，使太陽能成為全球能源結(jié)構(gòu)中的主力軍。這些量子創(chuàng)新技術(shù)有潛力徹底改變能源領(lǐng)域，為21世紀(jì)*緊迫的挑戰(zhàn)（包括能源安全、氣候變化和資源可持續(xù)性等）提供解決方案。隨著量子技術(shù)的不斷發(fā)展，也許有一天量子科技會(huì)為我們的家庭、車輛和城市提供動(dòng)力，開啟一個(gè)清潔、高效、可靠的能源新時(shí)代。
三、量子測量（時(shí)頻領(lǐng)域）
量子科技在時(shí)頻領(lǐng)域帶來了革命性的變化，其中*為深遠(yuǎn)的創(chuàng)新之一便是原子光鐘的誕生。這種突破性的技術(shù)利用量子力學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間和頻率測量的空前高精確度，極大推動(dòng)了科學(xué)、工業(yè)和技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。原子光鐘通過利用原子在光頻率下的振蕩來工作，這種頻率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)原子鐘（如銫鐘）使用的微波頻率。更高的振蕩頻率使原子光鐘能夠以極高的精確度測量時(shí)間——其精確度如此之高，以至于在數(shù)十億年間僅可能快或慢不到一秒。這種卓越的精確度不僅僅是時(shí)頻測量領(lǐng)域的奇跡，還在導(dǎo)航定位、科學(xué)研究等依賴精密測量的技術(shù)中扮演著至關(guān)重要的角色。
圖9 原子光鐘 圖源：(維基百科)
原子光鐘的核心工作原理在于光與單個(gè)原子的相互作用[15]。在傳統(tǒng)原子鐘中，原子在微波輻射下，調(diào)整該輻射頻率直至其與原子的自然共振頻率相匹配。然而，在原子光鐘中，使用的是光波輻射，這種輻射的波長更短，振蕩更快。這種更高的頻率使時(shí)間間隔的測量更加精確。具體來說，原子光鐘依賴于鍶或鐿等原子之間的能級(jí)躍遷，這些原子在極其穩(wěn)定且定義明確的頻率下發(fā)射光。通過鎖定這些頻率，原子光鐘能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)鐘表的穩(wěn)定性和精確度。這種精確度在空間探索、粒子物理學(xué)和電信等多個(gè)領(lǐng)域至關(guān)重要，因?yàn)樵谶@些領(lǐng)域中，即便是*小的時(shí)間偏差也可能導(dǎo)致重大錯(cuò)誤。
全球定位系統(tǒng)（GPS）是原子光鐘在測量領(lǐng)域*顯著的應(yīng)用之一。GPS衛(wèi)星依賴原子鐘提供準(zhǔn)確的時(shí)間信號(hào)，這些信號(hào)用于計(jì)算地球上接收器的位置。這些衛(wèi)星上時(shí)鐘的精確度直接決定了定位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[16]。使用傳統(tǒng)的原子鐘，GPS的準(zhǔn)確度通常在幾米范圍內(nèi)。然而，應(yīng)用原子光鐘后，這一誤差可以縮小到厘米甚至毫米級(jí)，徹底革新了導(dǎo)航系統(tǒng)。這一改進(jìn)將對(duì)依賴精確定位的行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，如自動(dòng)駕駛汽車、農(nóng)業(yè)和物流。例如，自主駕駛汽車需要實(shí)時(shí)且高度精確的位置數(shù)據(jù)，特別是在城市環(huán)境中，小幅的定位誤差可能導(dǎo)致事故。同樣，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，厘米級(jí)的GPS數(shù)據(jù)精確度可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，使機(jī)器能夠以*小的浪費(fèi)和*大的效率播種、施肥或收割作物。
除了導(dǎo)航，原子光鐘還改變了計(jì)量學(xué)，即測量科學(xué)。原子光鐘的穩(wěn)定性和精確度使得對(duì)光速、萬有引力常數(shù)和普朗克常數(shù)等基礎(chǔ)物理常數(shù)的測量更加精確。這些常數(shù)支撐了現(xiàn)代物理學(xué)的許多方面，對(duì)于保持科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展的連貫性至關(guān)重要[17]。通過提高這些常數(shù)的測量精度，原子光鐘有助于國際單位制（SI）的改進(jìn)，確保時(shí)間、長度、質(zhì)量等量的測量保持準(zhǔn)確和全球一致。例如，千克這一單位曾經(jīng)由物理物體（國際千克原器）定義，但現(xiàn)在已經(jīng)通過基于普朗克常數(shù)的量子方法進(jìn)行了重新定義，這些方法可以通過像原子光鐘這樣極其精確的設(shè)備來測量。計(jì)量學(xué)向量子標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)變確保了這些測量不會(huì)像物理樣本那樣隨時(shí)間退化或漂移。
圖10 引力波探測和大地學(xué)測量 圖源：(維基百科)
除了在基礎(chǔ)物理常數(shù)測量中的作用，原子光鐘在科學(xué)研究，尤其是天文學(xué)和宇宙學(xué)領(lǐng)域也有著極大的潛力。原子光鐘的極高精度使科學(xué)家能夠探測由引力場引起的時(shí)間微小變化[18]，這是愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的一個(gè)效應(yīng)。這個(gè)現(xiàn)象稱為引力時(shí)間膨脹，它表明在強(qiáng)引力場中，時(shí)鐘的運(yùn)行會(huì)減慢，例如在行星、恒星或黑洞附近。通過將原子光鐘置于不同的引力環(huán)境中，科學(xué)家們可以以前所未有的精確度研究引力對(duì)時(shí)間的影響，從而深入了解時(shí)空和引力本身的性質(zhì)。這在地球物理學(xué)領(lǐng)域也有實(shí)際應(yīng)用，地球的引力場變化可以用來研究質(zhì)量分布的變化，例如由地殼活動(dòng)或極地冰蓋融化引起的變化。高靈敏高精度探測這些變化對(duì)于監(jiān)測自然災(zāi)害、預(yù)測地震和追蹤氣候變化等至關(guān)重要。
原子光鐘在推動(dòng)量子物理學(xué)的發(fā)展，特別是在測試基本理論的極限方面，發(fā)揮著重要作用。例如，原子光鐘的極高精度使其成為測試洛倫茲不變性原理的理想工具之一，洛倫茲不變性是愛因斯坦相對(duì)論中一個(gè)關(guān)鍵性原理之一，指出物理定律對(duì)于所有觀察者都是相同的，無論其速度或位置如何。任何對(duì)洛倫茲不變性的偏差都可能表明存在超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，如量子引力或額外維度。通過比較不同參照系或引力場中原子光鐘的振蕩，物理學(xué)家能夠以前所未有的精度檢驗(yàn)這一原理。這些實(shí)驗(yàn)有可能為量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的統(tǒng)一提供一種新思路。
原子光鐘的另一重要應(yīng)用是在網(wǎng)絡(luò)同步中。在當(dāng)今高度互聯(lián)的世界中，跨大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步對(duì)于金融市場到通信網(wǎng)絡(luò)的一切至關(guān)重要。原子光鐘提供了超精確的時(shí)間信號(hào)[19]，確保系統(tǒng)保持到納秒級(jí)的同步。這對(duì)高頻交易尤為重要，在這種交易中，金融交易在幾分之一秒內(nèi)完成，即便是*小的時(shí)間差異也可能導(dǎo)致巨大的財(cái)務(wù)損失。同樣，電信網(wǎng)絡(luò)依賴于精確的時(shí)間管理來處理通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，確保信息按正確順序傳輸和接收。原子光鐘以其極高的精度消除了這些系統(tǒng)中時(shí)間漂移的風(fēng)險(xiǎn)，防止數(shù)據(jù)損壞，并確保關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性。
在太空探索中，原子光鐘為導(dǎo)航和通信開辟了新的可能性。深空任務(wù)（例如那些前往火星或更遠(yuǎn)星際的任務(wù)）需要高度精確的時(shí)間管理，以確保航天器能夠在太空中導(dǎo)航并與地球通信。涉及的距離非常遙遠(yuǎn)，這意味著即便是微小的時(shí)間測量誤差也會(huì)導(dǎo)致重大的導(dǎo)航錯(cuò)誤。原子光鐘通過提供穩(wěn)定且精確的時(shí)間基準(zhǔn)，使航天器即便在*遙遠(yuǎn)的太空區(qū)域也能極其精確地確定其位置。這種能力對(duì)于未來前往遙遠(yuǎn)行星、衛(wèi)星或小行星的任務(wù)至關(guān)重要[20]。此外，原子光鐘還可以用于同步航天器與地球之間的通信，確保即便跨越遙遠(yuǎn)距離，信號(hào)也能以*小的延遲或誤差進(jìn)行傳輸和接收。
在量子通信和量子計(jì)算領(lǐng)域，原子光鐘在保持量子系統(tǒng)的相干性和穩(wěn)定性方面也發(fā)揮著關(guān)鍵作用[21]。量子計(jì)算機(jī)依賴于量子態(tài)的疊加，這些態(tài)對(duì)環(huán)境干擾極其敏感。由原子光鐘提供的精確時(shí)間管理確保量子比特（qubits）在更長的時(shí)間內(nèi)保持相干性，從而能夠執(zhí)行更復(fù)雜的計(jì)算并減少誤差率。同樣，在量子通信系統(tǒng)（如量子密鑰分發(fā)（QKD））中，發(fā)送方和接收方之間的精確同步對(duì)于量子密鑰的安全傳輸至關(guān)重要。原子光鐘確保這些系統(tǒng)以所需的精度運(yùn)行，從而降低錯(cuò)誤或安全漏洞的風(fēng)險(xiǎn)。隨著量子網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展并逐漸融入全球通信系統(tǒng)，原子光鐘將在保持量子信息的完整性和安全性方面發(fā)揮重要作用。
通過提供有史以來*精確的時(shí)間頻率測量能力，原子光鐘不僅在重新定義我們對(duì)時(shí)間的理解，還在推進(jìn)新技術(shù)和科學(xué)突破的實(shí)現(xiàn)。原子光鐘的無與倫比的精確度不僅在全球?qū)Ш胶碗娦诺阮I(lǐng)域提供了基礎(chǔ)支持，還推動(dòng)了基礎(chǔ)物理學(xué)研究和量子計(jì)算等領(lǐng)域的技術(shù)突破。借助原子光鐘，量子科技在時(shí)頻測量領(lǐng)域的應(yīng)用正在發(fā)生革命性變化。
四、量子傳感（國防領(lǐng)域）
光電技術(shù)，涉及使用光來傳輸和處理信息的設(shè)備和系統(tǒng)，因量子力學(xué)的應(yīng)用而取得了顯著進(jìn)展。這些突破正在重新塑造國家防御能力，提供前所未有的通信安全、探測、成像和對(duì)抗能力，提升通信安全、檢測系統(tǒng)和監(jiān)視能力，以及通過改善軍事戰(zhàn)略優(yōu)勢來塑造戰(zhàn)爭的未來。
量子科技在光電技術(shù)中對(duì)國防*具革命性的應(yīng)用之一是量子通信，特別是量子密鑰分發(fā)（QKD）。軍事通信系統(tǒng)的安全性是防御戰(zhàn)略的關(guān)鍵要素。傳統(tǒng)上，軍事通信的加密依賴于經(jīng)典的加密方法，例如 RSA（Rivest-Shamir-Adleman），盡管這些方法目前仍然有效，但在未來量子計(jì)算機(jī)的攻擊下將變得脆弱[22]。正在開發(fā)的量子計(jì)算機(jī)將具有足夠的計(jì)算能力來破解依賴于大數(shù)分解難題的經(jīng)典加密算法，這可能會(huì)使*敏感的軍事通信暴露在敵方的解密面前。
圖11 紅外探測 圖源：（www.x-mol.com）
然而，量子通信通過提供一種理論上無法破解的加密方法，徹底改變了這一局面。QKD 通過在量子態(tài)（如光子的極化或相位）中編碼加密密鑰來運(yùn)行[23]。量子力學(xué)的定律，特別是不可克隆定理和海森堡不確定性原理，確保任何試圖竊聽這些量子態(tài)的行為都將不可避免地?cái)_亂它們，從而提醒通信雙方發(fā)生了入侵。這確保了加密密鑰在傳輸過程中保持安全，使敵方不可能攔截敏感的軍事數(shù)據(jù)而不被發(fā)現(xiàn)。
在軍事應(yīng)用中，保持通信渠道的安全而不被攔截至關(guān)重要。量子通信通過光電設(shè)備的增強(qiáng)，如量子光子探測器，允許通過光纖或自由空間通信系統(tǒng)（衛(wèi)星、無人機(jī)等）傳輸安全數(shù)據(jù)。通過將量子探測器集成到這些系統(tǒng)中，軍事單位可以確保信息流的安全，防止敵方訪問實(shí)時(shí)戰(zhàn)略信息，如部隊(duì)行動(dòng)、任務(wù)計(jì)劃或情報(bào)數(shù)據(jù)。中國的墨子號(hào)衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)已經(jīng)展示了長距離 QKD 的潛力，顯示了建立全球量子安全軍事通信網(wǎng)絡(luò)的前景[24]。這些進(jìn)步為各國提供了一個(gè)量子安全的未來，免受量子計(jì)算帶來的威脅，并建立了幾乎無法破解的軍事通信安全新標(biāo)準(zhǔn)。
量子科技在光電技術(shù)應(yīng)用于國防領(lǐng)域的另一項(xiàng)重大進(jìn)展是量子增強(qiáng)傳感。量子傳感器利用量子現(xiàn)象，如疊加和糾纏，超越了經(jīng)典傳感器的局限，能夠檢測到環(huán)境條件中*微小的變化。這些高靈敏度傳感器可以檢測物理量（如光、磁場和振動(dòng)）的微小變化，為軍隊(duì)在威脅檢測、態(tài)勢感知和早期預(yù)警系統(tǒng)方面提供了重大升級(jí)。
量子傳感器代表了早期預(yù)警雷達(dá)和激光雷達(dá)（LIDAR）系統(tǒng)的飛躍，對(duì)于檢測敵軍、導(dǎo)彈、飛機(jī)和其他潛在威脅至關(guān)重要。量子增強(qiáng)激光雷達(dá)（LIDAR）技術(shù)[25]允許軍隊(duì)在惡劣的能見度條件下，如霧天、煙霧或黑暗中，以前所未有的精度檢測物體。通過利用量子特性，如單光子探測，量子 LIDAR 系統(tǒng)可以生成戰(zhàn)場的高分辨率 3D 地圖，提供實(shí)時(shí)態(tài)勢感知。這些傳感器能夠檢測到傳統(tǒng) LIDAR 系統(tǒng)可能遺漏的遠(yuǎn)處物體的微弱反射，確保任何隱藏的威脅都不會(huì)被忽視。這一能力對(duì)自主軍事無人機(jī)和無人車輛尤為關(guān)鍵，這些設(shè)備依賴于準(zhǔn)確的地圖和障礙物檢測在復(fù)雜環(huán)境中導(dǎo)航。
在防空方面，量子雷達(dá)提供了突破性的增強(qiáng)。傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)難以檢測到隱形飛機(jī)，后者設(shè)計(jì)成能夠吸收或偏轉(zhuǎn)雷達(dá)波以*小化其可見度。然而，量子雷達(dá)利用量子糾纏原理，以更高的靈敏度檢測物體。通過發(fā)射糾纏光子對(duì)，量子雷達(dá)系統(tǒng)可以通過觀察光子對(duì)在物體反射時(shí)的變化來檢測飛機(jī)。這使得量子雷達(dá)能夠穿透隱形技術(shù)，有效地抵消隱形飛機(jī)提供的優(yōu)勢。配備量子雷達(dá)的軍事力量將能夠檢測和跟蹤那些傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)無法檢測到的飛機(jī)，為防御提供顯著優(yōu)勢。
此外，量子磁力計(jì)通過測量潛艇或水下航行器運(yùn)動(dòng)引起的地球磁場的微小變化，為海軍防御提供了高靈敏度的檢測手段。潛艇傳統(tǒng)上難以檢測，尤其是在深水中，它們可以躲避聲學(xué)和視覺檢測。量子磁力計(jì)能夠以驚人的準(zhǔn)確性遠(yuǎn)距離檢測到這些船只，使海軍更有效地監(jiān)控水下威脅。這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)改變反潛作戰(zhàn)，為海軍艦隊(duì)提供更高的安全性，并保護(hù)關(guān)鍵的海上貿(mào)易路線免受潛艇攻擊。
量子增強(qiáng)成像是量子科技在光電領(lǐng)域中對(duì)國防的另一重要應(yīng)用。量子成像技術(shù)（如量子成像和量子干涉）允許在挑戰(zhàn)性條件下進(jìn)行高分辨率成像，提升監(jiān)視和偵察能力。傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)（如用于衛(wèi)星、無人機(jī)或地面監(jiān)控?cái)z像頭的系統(tǒng)）受限于環(huán)境因素，例如低光、灰塵遮擋或偽裝目標(biāo)。量子成像通過利用光子之間的量子關(guān)聯(lián)克服了這些限制，允許在光子數(shù)量較少的情況下形成圖像，這意味著即使在低光條件或部分遮蔽的環(huán)境中，也可以獲得更清晰的圖像。
圖12 現(xiàn)代成像偵察 圖源：鳳凰網(wǎng)
在軍事行動(dòng)中，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于情報(bào)收集具有重要價(jià)值。例如，量子成像可以使用未直接與被成像物體相互作用的光子創(chuàng)建高質(zhì)量圖像。在戰(zhàn)場環(huán)境中，量子成像可以使無人機(jī)或衛(wèi)星在夜間或濃霧中獲得敵方陣地的清晰圖像，而傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)將難以做到這一點(diǎn)。獲取高質(zhì)量的實(shí)時(shí)圖像而不暴露成像光源的能力提供了顯著的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢，使軍隊(duì)能夠保持隱蔽，同時(shí)收集關(guān)鍵的偵察數(shù)據(jù)。
量子干涉可用于檢測微小的振動(dòng)或位移，為軍隊(duì)提供檢測隱藏基礎(chǔ)設(shè)施（如地下掩體或?qū)棸l(fā)射井）的能力[26]。通過分析光波在不同表面反射后的相互干涉，量子干涉儀能夠檢測到環(huán)境中原本難以察覺的微小變化。這使其成為定位和識(shí)別敵方隱藏設(shè)施的有力工具，從而能夠進(jìn)行先發(fā)制人的打擊或在軍事行動(dòng)中做出更明智的決策。量子成像還可應(yīng)用于衛(wèi)星偵察，在軍事行動(dòng)規(guī)劃中，高分辨率的敵方領(lǐng)土圖像至關(guān)重要。通過將量子增強(qiáng)傳感器集成到衛(wèi)星系統(tǒng)中，軍隊(duì)可以提高監(jiān)控?cái)撤?、追蹤部?duì)調(diào)動(dòng)和從太空識(shí)別戰(zhàn)略目標(biāo)的能力。這為軍事指揮官提供了更清晰的戰(zhàn)場圖景，使得目標(biāo)打擊更加精確，減少附帶損害的風(fēng)險(xiǎn)。
量子科技在光電領(lǐng)域的應(yīng)用還擴(kuò)展到了對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，這對(duì)于摧毀敵方系統(tǒng)至關(guān)重要。量子增強(qiáng)激光系統(tǒng)為激光干擾、光學(xué)隱形和定向能武器提供了新的能力，這些都是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的關(guān)鍵技術(shù)。激光干擾[27]是一種用于通過激光信號(hào)壓制敵方傳感器和通信系統(tǒng)的技術(shù)。量子增強(qiáng)激光可以發(fā)射具有前所未有精度的激光束，使軍隊(duì)能夠瞄準(zhǔn)敵方傳感器（如無人機(jī)、導(dǎo)彈或監(jiān)控系統(tǒng)上的傳感器）并有效致盲或禁用它們。這些激光系統(tǒng)還可以干擾來襲導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)，防止它們擊中預(yù)定目標(biāo)。通過中和敵方的探測和跟蹤軍事設(shè)備的能力，量子增強(qiáng)激光干擾為電子戰(zhàn)中的防御提供了強(qiáng)大的能力。
另一個(gè)有前景的應(yīng)用是光學(xué)隱形[28]。傳統(tǒng)的隱形技術(shù)主要側(cè)重于*小化雷達(dá)特征，而量子增強(qiáng)光學(xué)隱形通過操控光線使物體對(duì)光學(xué)檢測系統(tǒng)不可見。通過彎曲或重新引導(dǎo)光線，量子隱形設(shè)備可以使軍事車輛或飛機(jī)幾乎無法被敵方攝像機(jī)、無人機(jī)或視覺傳感器探測到。這項(xiàng)技術(shù)可以顯著提高軍事設(shè)備的隱形能力，使其能夠在敵方環(huán)境中不被發(fā)現(xiàn)地行動(dòng)。
量子科技還在推動(dòng)定向能武器（DEWs）的界限，這些武器使用集中的能量束（如激光或微波）來摧毀敵方設(shè)備或人員[29]。量子增強(qiáng)激光憑借其更高的功率和精度，可以使定向能武器在更長的距離上對(duì)更廣泛的目標(biāo)更加有效。這些系統(tǒng)可以用于導(dǎo)彈防御，攔截和摧毀來襲的彈藥，或用于反無人機(jī)作戰(zhàn)，在無人機(jī)到達(dá)目標(biāo)之前將其禁用。
結(jié)論
量子科技在光電領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，帶來了革命性的進(jìn)步。在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用中，量子技術(shù)為精準(zhǔn)診斷和高效治療開辟了新途徑，有望極大地提升人類的健康水平。能源領(lǐng)域應(yīng)用中，量子科技助力開發(fā)更高效、可持續(xù)的能源解決方案，為應(yīng)對(duì)全球能源挑戰(zhàn)提供了新的可能。原子光鐘作為量子測量的重要成果，極大地提高了時(shí)間頻率測量的精度，為科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在國防領(lǐng)域應(yīng)用中，量子光電技術(shù)增強(qiáng)了國家的安全保障能力，為維護(hù)和平穩(wěn)定發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
展望未來，量子科技的發(fā)展前景無比廣闊。隨著研究的不斷深入和技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，我們完全有理由相信，量子科技將在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出驚人的潛力。它可能會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)醫(yī)療技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的更早期診斷和更個(gè)性化治療。在能源領(lǐng)域，有望引領(lǐng)新的能源革命，創(chuàng)造出更加清潔、高效的能源供應(yīng)模式。在時(shí)頻領(lǐng)域，測量技術(shù)將更加精準(zhǔn)，為科學(xué)探索提供更強(qiáng)大的工具。國防領(lǐng)域也將因量子科技的進(jìn)步而更加堅(jiān)固，確保國家的安全與穩(wěn)定。量子科技的未來充滿無限可能，將持續(xù)為人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步注入強(qiáng)大動(dòng)力。
作者簡介
第一作者：雷帥、張家璇
通訊作者：徐信業(yè) 教授
作者單位：華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
關(guān)聯(lián)設(shè)備
IsCMOS像增強(qiáng)型相機(jī)
SCS1000大面積太陽能電池量子效率測試系統(tǒng)
TPR系列三線擺式氣浮隔振平臺(tái)
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