摘 要 作爲當前三大核心量子技術之一的量子傳感技術，是量子信息感知與獲取的重要物理實現基礎，也是發展曆史最悠久、技術成熟度最高、實際應用範圍最廣、潛在應用最多的量子技術。文章是量子傳感的第一部分，主要介紹量子傳感的基礎理論與方法。首先從理論上總結量子傳感的定義及基本概念，指出量子傳感“量子性”的由來，並從實際應用的角度，提出量子傳感的技術外延以及分類依據；接著詳細介紹了有關量子傳感的基本實現架構，以及描述量子傳感性能的核心技術指標，歸納了用于提高量子傳感性能的物理原理及技術方法。
關鍵詞 量子傳感，原子能級，量子相幹，量子傳感器，量子信息感知與獲取
1引 言
量子傳感是當前三大量子技術領域的核心發展方向之一，是量子信息感知的物理實現基礎，它與量子通信、量子計算共同構成了當前量子技術的三大支柱。基于量子傳感原理形成的各類量子傳感器，也在諸多領域發揮著重要作用。相較于量子計算和量子通信，量子傳感技術的發展曆程更悠久、技術成熟度更高、應用更廣泛、效果更顯著。伴隨著量子理論及信息技術的發展，量子傳感的概念和技術外延也在不斷拓展，技術表現形式也愈發多樣。本文主要介紹量子傳感的基本概念、技術外延，以及基本方法。
2量子傳感基本概念
傳統意義的傳感，泛指利用宏觀物體的物理效應對某種物理量的響應特性，來實現對物理量的探測和感知。例如，利用宏觀材料的電學特性與待測物理量之間的依賴關系，可以構建溫度傳感器、壓力傳感器等。早期的量子傳感技術(主要指20世紀30年代左右形成的量子電子學技術)也是基于此思想，區別在于對待測物理量進行響應的物理效應，由宏觀的物理效應轉爲微觀粒子的量子態。例如，基于原子能級的各種傳感器，利用的就是微觀粒子量子態的分立性——待測物理量會造成微觀粒子處在不同狀態的概率分布産生變化，通過測量這種概率分布的變化，實現對待測物理量的探測。量子態與待測物理量之間的耦合構成了量子傳感的核心。
量子傳感技術是伴隨著量子理論和人們對微觀粒子量子特性的發掘以及物理與信息技術的進步而發展的。從應用的角度可將量子特性歸納爲：分立性、相幹性、隨機性。其中，微觀粒子(如原子)的相幹性，除了體現在單粒子狀態的相幹疊加(實際上，早期的量子傳感技術主要利用的就是此特性)，也體現在多個粒子狀態的相幹疊加，即量子糾纏，包括糾纏狀態如何制備、如何被操控並在待測物理量的作用下演化、以及如何在演化後被探測，都與早期的量子傳感技術有本質區別；另外，微波激射器/量子頻標/原子鍾/激光、半導體/集成電路、非線性光學/量子光學等技術的發展也極大地促進了量子態的制備、操控、演化、讀取等技術發展，爲量子傳感技術的發展帶來了更多的可能性和更爲廣闊的空間。
2.1 量子傳感“量子性”根源
量子傳感雖然研究曆程已久，但一直以來，並沒有一個規範的定義。2003年，J. P. Dowling和G. J. Milburn發表了一篇具有重要意義的論文《量子技術：第二次量子革命》，第一次明確提出了“第二次量子革命”的概念以及定義[1]。文中將“量子技術”的概念建立在量子化(分立化)、不確定性原理、量子疊加、量子隧穿、量子糾纏、量子退相幹等“量子原理”上，並將量子技術分爲了量子信息技術(包括量子算法、量子密碼學和量子信息論)、量子機電技術、相幹量子電子學(主要是超導量子線路)，同時，將量子光子學獨立于量子技術提出，包括自旋電子學、分子相幹量子電子學、固態量子計算、量子光學、量子光學幹涉技術、量子光刻和顯微、量子壓縮、非相互作用成像、量子遠程傳態、相幹物質技術(即原子幹涉儀)、原子光學、原子重力梯度儀、原子激光等。
可以看到，最初的量子技術分類在層次上是比較混亂的。隨著“第二次量子革命”這一概念的提出及其在近二十年的發展，量子技術逐步凝練並形成了三個核心發展方向：量子計算(涵蓋但不限于量子計算、量子模擬、量子加速、量子算法)、量子通信(涵蓋但不限于量子密鑰分發、量子隱形傳態、量子直接通信)和量子傳感(涵蓋但不限于量子精密測量、量子計量、量子傳感器、量子信息感知)。對量子傳感而言，它在國際上比較早的來源甚至可以追溯到1879年[2]，這意味著早在量子理論建立之前，人們就已經意識到，可以利用微觀粒子的某些屬性來實現對物理量的測量(圖1)，並強調了這種方法的優勢在于，微觀粒子的狀態與待測物理量之間的依賴關系是微觀粒子的內禀屬性，且不隨時間、空間的變化而變化[2]。例如，原子核外電子的分立能級所決定的能級之間固定的能量間隔，是原子鍾技術的基礎；角動量在空間取向只能取分立數值所決定的外磁場幅值與能級移動具有確定的比例關系，是原子磁力儀技術的基礎；等等。
圖1 左圖：威廉·湯姆孫(第一代開爾文男爵)及其關于利用原子能級進行物理量精密測量的論述；中圖：湯姆孫發表的Treatise on Natural Philosophy 圖書封面(1879，第二版)，其中提到了左圖中所引用的文字，中文含義是“由原子所發出的特定射線的波長，即特定頻率的光在固定時間段內(周期時間)所經過的距離，可以給出一個完全不隨時間變化的長度標准”；右圖：利用微觀粒子的能級結構進行物理量傳感及精密測量的基本思路
綜上可知，早期的量子傳感利用的是微觀粒子的分立性給測量所帶來的確定性和一致性，在傳感性能提升方面，並沒有脫離經典傳感技術的框架，仍沿用經典傳感技術的噪聲抑制方法和信號提取方法。隨著特殊量子態，如糾纏態、壓縮態等概念的提出，以及激光技術的不斷發展，特別是20世紀80年代後期飛速發展的半導體激光器技術以及非線性光學技術，大大降低了特殊量子態在制備、操控、讀取等環節的技術門檻以及難度，量子傳感才真正與經典傳感有了本質的不同——從經典的獨立傳感(探測)發展爲基于量子效應的關聯傳感(探測)。
總體而言，對量子傳感這一概念以及技術內涵進行科學規範的學術定義，仍持續了很長時間，很多人做了相關嘗試。2017年，C. Degen，F. Reinhard，P. Cappellaro在《現代物理評論》上發表了題爲“Quantum Sensing”的長篇綜述論文[3]，可以認爲是迄今爲止從學術上對量子傳感技術的概念定義及技術外延所做出的最大努力——該文給出了目前最廣泛的量子傳感的覆蓋範圍，並進一步仿照2000年D. DiVincenzo針對量子計算機的判據方法[4]，提出了有關量子傳感的判據(或分類依據)，基于此，論文嘗試提出了一個通用的量子傳感協議(或技術分類方法)。在這篇文章中，量子傳感的定義、量子性來源以及技術外延可按以下准則分爲三類：
(1)使用量子物體測量物理量，其特征是量子化的能級(量子態)。具體的例子包括來自超導、中性原子、囚禁離子或其他自旋體系中的電子能級、磁子能級、原子核能級或振動能級；
(2)使用量子相幹性(即具有波動屬性的空間、時間疊加態)來測量物理量；
(3)使用量子糾纏來提高測量的靈敏度或精度，從而超越經典測量技術的統計極限。
2.2 量子傳感的技術分類
按照上述三類標准，早期的量子傳感技術，基本上都可以歸結爲前兩類。隨著量子糾纏的實現以及激光技術的發展，人們開始充分挖掘特殊量子態以及量子態操控方法在降低測量不確定度方面的巨大潛力，並由此而發展出量子精密測量、量子參數估計等技術。在本文中，我們將這些技術統稱爲量子傳感。一方面與上述定義相符，另一方面，不同的技術，其核心都是利用量子態與待測物理量之間的耦合作用，終將殊途同歸。只是在現階段的發展側重點有所區別：前兩類技術，更關注的是提升對微小物理量變化量的感知能力；第三類技術，更關注的是如何在資源有限的情況下，進一步降低待測物理量的測量不確定度。
從量子傳感的實際應用出發，2022年，美國發布《將量子傳感器付諸實踐(Bringing Quantum Sensors to Fruition)》的報告[5]，將量子傳感器定義爲：“量子傳感器是利用量子力學特性(如原子能級、光子態或基本粒子的自旋)進行計量的設備”，將概念的重點放在其外延上，僅以“例證”形式說明哪些技術屬于量子傳感器——任何一個傳感器本身是不是足夠“量子”並不影響其在現階段發揮效能。因此，基于“歸納法”，可以給出量子傳感器的框架。
基于此思想，由于量子科技已經在世界各發達國家上升到國家戰略技術的地位，因此，可先將發達國家有關量子戰略的代表性文件中所關注的量子技術擇要列出(表1)，嘗試描述量子傳感器的概念並進行分類。綜合來看，截至目前，在各發達國家普遍受到關注的量子傳感技術實際上是在逐漸聚焦的。目前普遍的量子傳感技術也可以分爲三大類。可以看到，分類結果基本能夠與上述學術分類標准相符合。
表1 世界科技大國量子傳感器技術舉例
第一類是已經形成了具有代表性實用化産品的成熟技術方向，且已經形成或正在逐步構建新的産業結構，主要有原子鍾、原子磁力儀、超導幹涉磁力儀、原子幹涉重力儀、核磁共振技術等。
第二類是在實用化研發過程中的技術，主要有光頻原子鍾(包括光晶格鍾)、金剛石色心(NV color center)技術、量子關聯成像等。
第三類是暫時還處在實驗室和學術研究階段的，主要有(裏德伯)原子電場探測器、量子照明，以及基于特殊量子態(如壓縮態、糾纏態)的量子精密測量技術及方法等。
3量子傳感性能描述及提升方法
傳感或測量的核心，體現爲對物理量的測量能力，或對物理量變化量的響應能力，除此之外，有關傳感性能及結果的可重複性以及一致性，也是目前重點發展的方向之一。這一部分將首先給出量子傳感的基本框架，並介紹量子傳感性能指標的描述方法，以此爲基礎，從物理以及技術方法兩方面，介紹如何提升量子傳感技術性能指標。
3.1 量子傳感基本框架
量子傳感主要依賴于對微觀粒子狀態(量子態)的精確操控和讀取。實際上，量子傳感的基本框架以及實現方法，可以用量子技術的通用框架進行描述，即，量子態的制備、量子態的演化以及量子態的讀取。因此，從這個角度來看，量子傳感和量子計算是等價的。二者的區別在于，在量子態的制備以及演化部分，量子計算比量子傳感的複雜程度更高，主要體現在，量子計算需要將待解決的問題或擬實現的算法，轉化(或編譯)爲一系列實現量子態演化的相互作用哈密頓量，而對于量子傳感，在態的演化這一部分，一般僅需要考慮量子態在待測物理量作用下的演化形式即可。也就是說，量子傳感更關注的是如何精確地控制並讀取量子態的演化。此外，量子計算對量子糾纏態的要求也更高，對于量子傳感，糾纏並非必要條件。
具體而言，量子傳感的通用框架包括7個基本步驟。這部分內容主要參考“Quantum Sensing”這篇綜述論文[3]。本文以此爲基礎，並結合原子磁力儀、原子鍾、核磁共振等代表性量子傳感技術，對量子傳感這一框架的基本結構做相應的補充和說明。
第一步：量子態的初始化。微觀粒子的狀態需要被制備到一個初始狀態，一般而言，該初始狀態可以選爲微觀粒子的某個本征態(如二能級原子的能量本征態)。對于基于原子系綜的量子傳感器，這一步驟也被稱爲極化。例如，核磁共振中的強磁場、原子鍾中的磁選態技術、原子磁力儀中的光泵浦技術等。
第二步：量子態的制備。這一步主要將量子態轉化爲可用于進行傳感的狀態。該狀態需要能夠在待測物理量的作用下産生演化。一般通過施加一定的狀態控制脈沖來實現態的制備。例如，核磁共振中的90°磁場脈沖；除此之外，還可以設計一系列更複雜的操控手段，用來制備一些特殊的量子態，比如糾纏態、壓縮態等。
第三步：量子態的演化。制備的量子態在待測物理量的作用下進行演化，這是實現量子傳感的關鍵。例如，在磁場作用下，微觀粒子的內禀磁矩會與外磁場相互作用，若微觀粒子的狀態不是該相互作用的本征態，就會産生演化，演化過程可以唯象地用磁矩在磁場作用下的拉莫進動來反映狀態的演化規律，通過測量進動的角度(或者頻率)，即可得到有關磁場的信息；原子鍾則是利用原子的內禀相互作用，通過屏蔽所有外界影響，精確提取微觀粒子的狀態在內禀作用下的演化頻率。
第四步：量子態的轉化。這一步的主要目的是將演化後的量子態轉化爲可以觀測的狀態。例如，對于原子鍾，在利用90°脈沖將原子狀態制備爲疊加態，並在內禀相互作用下演化後，需要再施加一個90°脈沖。這一步主要取決于後面的觀測手段。如果選擇的觀測手段可以直接觀測演化後的疊加態，則無需進行這一操作。
第五步：量子態的讀取。相較于初態而言，演化後的狀態一般是原本征態的疊加態，因此，單次測量得到的結果是隨機的，只能得到其中的一個本征態。讀數(或測量)是一個伯努利過程，以1-p的概率得到狀態A，以p的概率得到狀態B，這個概率通過單次測量無法得到，需進行多次測量。
第六步：重複測量。重複上述1—5步，在理想情況下，得到的測量結果即爲不同本征態的概率，重複有兩方面意思，一方面，體現爲對單個粒子重複進行上述1—5步，另一方面，體現爲粒子系綜的探測結果均值，這兩種意義上的重複可以並列進行。
第七步：待測物理量的估值。根據前述步驟的分析，測量得到不同本征態的概率分布及其變化當中就包含了待測物理量的信息。通過測量概率，可以得到有關物理量的取值。
上述框架基本上可以概括目前與量子傳感相關的所有技術，不同技術方向的區別主要體現爲上述7個步驟的關注側重點有所不同。
3.2 量子傳感性能指標
量子傳感的核心技術指標包括噪聲、靈敏度、精度等，這些指標之間既有聯系，又有區別。總的來說，噪聲主要反映爲影響測量結果的一類物理因素，且具有隨機特性。靈敏度雖與噪聲密切相關，但其同時也取決于信號強度，反映的是系統所能夠分辨的物理量變化量的最小值。精度(或准確度)關注的是測量結果與真實結果之間的差異，既與噪聲相關(統計誤差)，也取決于測量方法所引入的誤差(系統誤差)。
噪聲。量子傳感中的噪聲可主要分爲經典噪聲和量子噪聲兩大類。經典噪聲一般也被稱作爲技術類噪聲(主要是指來源于宏觀系統所引入的噪聲，比如激光器的強度噪聲、頻率噪聲、探測器的散粒噪聲，與後面提到的暗電流噪聲其實都來源于自發輻射這一量子效應，但通常被歸爲技術類噪聲/經典噪聲)、暗電流噪聲等等，以及來自外界的非待測物理量的隨機性幹擾，如黑體輻射、振動噪聲、溫度噪聲等。
量子噪聲主要來源于對量子態的測量，其本質是不確定性原理，是對未知量子態做投影測量的必然結果。例如，假如測量結果爲A的概率爲p，測量結果爲B的概率爲1-p，根據前文所述，概率p中包含了待測物理量的信息。假設測量的總次數爲n，則測量得到A的次數爲np，測量得到B的次數爲n(1-p)，可以計算得到p的不確定度(或方差)爲p(1-p)/n，這個不確定度就是量子投影噪聲。量子投影噪聲可通過設置不同量子態進行操控(如壓縮態)，但並非量子投影噪聲越小越好，例如，對于上述例子，p爲0或1時，p的不確定度爲0，此時微觀粒子處于本征態(基矢)，但這個狀態對于傳感而言並非最優——傳感更關注的是信噪比。
靈敏度。靈敏度是指傳感系統所能反映的某物理量變化量的最小值，主要取決于一定帶寬範圍內的信噪比，可分爲由經典或量子噪聲所決定的靈敏度指標，例如，對于原子磁力儀，其經典噪聲下的靈敏度公式可以寫作[(T2)(SNR)γ]-1，其中，T2爲橫向弛豫時間(一定程度上，反映的是量子疊加態的相幹時間)，SNR爲在一定帶寬範圍內的信噪比(平均時間越長、帶寬越小，噪聲越低，信噪比則越大)，γ爲常數(描述特定原子的特定狀態下，磁場和頻率之間的轉化系數)；而其量子噪聲，如量子投影噪聲下的靈敏度一般寫作[(T2)(NT)γ2]-1/2，其中，N爲相互作用的粒子數，T爲總測量時間，T/T2也可以看作是平均次數(單次測量時間的上限取決于量子態的弛豫時間)。量子投影噪聲所決定的靈敏度極限與相互作用的粒子數以及測量時間成反比，一般也稱作標准量子極限，可以通過制備特殊的量子態，如糾纏態、壓縮態對靈敏度實現進一步突破，但目前仍局限于少量粒子數所構成的體系。
精度。也被稱作准確度，主要反映傳感過程中引入的測量誤差，包括統計誤差和系統誤差。其中，統計誤差取決于噪聲水平，噪聲越小則測量離散程度越小，從而統計誤差就越小。系統誤差主要來源于測量方法及系統非理想性等因素引入的誤差，主要體現爲與真實物理量之間的偏移量。精度更多反映的是傳感系統的長期穩定性能以及可重複性。量子傳感之所以能夠在精度方面具備較高性能，核心還是對微觀粒子量子態的高精度操控以及保護。
此外，描述量子傳感性能的指標還需包括量程、帶寬等。這裏未加詳述，主要是考慮：這些指標仍沿用經典傳感中的定義，在技術上，也並未脫離經典的技術框架；另一方面，從目前的技術發展現狀來看，微觀粒子的量子特性也未能夠爲上述指標帶來類似于靈敏度、精度等在概念內涵、性能提升等方面的顛覆性效果；甚至，鑒于量子態對外界環境的高度敏感性，量子傳感在動態範圍以及帶寬方面反而受限，例如，原子磁力儀的帶寬和靈敏度就互相制約。近些年，隨著金剛石色心以及結合光學諧振腔的微型原子氣室等技術的發展，量子傳感在保證高傳感靈敏度指標的同時，在空間分辨率方面也達到了極高水平。尤其是基于金剛石色心的傳感技術，發展至今，正逐步往兼具高傳感靈敏度、高空間分辨率、大動態範圍、高帶寬的傳感技術方向邁進(詳細內容另文介紹)。
3.3 量子傳感性能提升方法
結合上述有關量子傳感核心性能指標的描述以及分析，下文將試著從物理原理和技術方法兩個方面，總結概括出提高量子傳感技術探測靈敏度、降低探測噪聲以及提高探測精度的根源和主要技術手段。由于這一嘗試是基于歸納的，因此並不能涵蓋量子傳感技術靈敏度提高的所有方法。通過下文介紹，可以看到的是，表1中的大部分技術(除去和安全性相關的技術外)均可納入。
3.3.1 物理原理
量子傳感技術的靈敏度及精度提高，亦即所謂的“量子增強”效應的原理，可以簡單分爲兩個大的部分：量子化和量子相幹。這也是截至目前，我們所能夠認識到的有關微觀粒子的基本屬性(圖2)。
圖2 微觀粒子的基本屬性：分立性(分立能級)、相幹性(量子疊加態、糾纏態)、隨機性(量子噪聲)
量子化。基本傳感單元微觀結構的量子化(或分立化)是幾乎所有量子傳感器的物理基礎，也是各類量子效應及其控制手段得以應用的根本，其精確性就體現在“量子化”本身。一些物理系統的量子化特性爲靈敏度極限提供了理論支撐(例如超導)。需要指出的是，與傳統定義觀點不同，本文認爲“量子化”不僅僅指“分立化”這一主要涉及量子束縛態的自然結論，還需要強調所謂的量子力學基本假設中的全同性(此處不追求束縛態和量子力學公設的嚴格學術論證)。特別重要的是，原子能級的量子化及量子力學的全同性基本假設，從原理上保證了不同原子能級間躍遷頻率的高度一致性，而頻率測量的高精度進一步構成了現代精密測量的核心能力，也是計量量子化(即溯源到基本物理常數)的根本保障之一——發展至今，頻率是人類測量水平最高的物理量——不僅指測量精度，還體現在長期測量的一致性及可重複性。
量子相幹。量子相幹主要涉及量子態的相幹疊加特性(包括量子糾纏特性的控制與保持)，是增強、提升量子傳感技術傳感精度及靈敏度的關鍵。
對于早期的量子傳感技術，如原子鍾、原子磁力儀、原子陀螺儀等，決定其傳感性能的關鍵因素之一，體現爲如何保持量子態的相幹特性。相幹特性在很大程度上可以用特征信號的Q值來表征，如原子鍾、原子磁傳感器的量子傳感技術中的共振信號線寬，也就是公式[(T2)(SNR)γ]-1中的T2，其與線寬之間一般呈反比，因此，相幹時間越長，信號線寬越窄、Q值越大，傳感器的探測靈敏度性能指標則越高。
伴隨著冷原子技術而發展起來的物質波幹涉技術，我們可以大膽地將量子相幹性帶來的系統測量精度及探測靈敏度的提高，歸結爲量子系統中“波動性”的進一步體現。量子傳感技術測量精度及探測靈敏度的提高可以在很大程度上歸因到經典光學幹涉測量技術的量子版本(光學幹涉代表著經典測量的最高水平，如引力波探測)。和其他經典理論一起，遵循從經典波動的振幅幹涉到“量子波”的幾率幅幹涉上，從而統一到在量子相幹和量子統計理論的理論框架內。此外，利用特殊的量子態(如量子壓縮態、NOON態等)，以及量子操控手段(如動力學解耦、量子無損測量等)帶來傳感技術靈敏度及精度的提升，歸根到底，體現的仍是有關量子態相幹特性和糾纏特性的控制與保持。
3.3.2 技術方法
基于上述有關量子傳感的物理原理分析，可將目前提升量子傳感技術性能指標的主要技術實現，分爲三個主要思路。
(1)高Q值系統的制備和維持
基本傳感單元微觀結構的量子化是幾乎所有量子傳感器的物理基礎，但量子化本身並不保證測量精度的提高。如果不考慮引入量子糾纏的量子系統，其測量精度的提高在基本原理上與經典系統是類似的，其基本原則是依賴傳感單元的高Q值。不僅僅是電路或光學腔，作爲最重要的量子傳感系統的原子系統更是如此。“原子”的分立性能級本身並不保證測量精度(但是可以保證測量一致性)，高Q值的原子系統才是保證測量精度的根本——其本質反映的是原子系統對待測物理量的響應能力，Q值越大，原子系統對待測物理量的響應越強。原子系統的Q值可定義爲躍遷頻率與躍遷線寬之比，這也是原子鍾向光鍾發展[16](提高躍遷頻率)以及由熱原子向冷原子發展[17](降低躍遷線寬)必然性的根本原因。
(2)幹涉儀的量子增強技術
光學幹涉儀在精密測量的曆史上扮演了重要的角色，其中，以邁克耳孫—莫雷實驗最爲著名。經典光學幹涉儀測量精度的提高需要更短的波長和更強的相幹性(衍射極限)，這往往通過光源選擇(從可見光到紫外線、X射線等)、光源穩定性(增加相幹時間)和加長幹涉臂來實現，其測量值的統計原理仍然遵循1/N1/2的經典統計規律。量子力學所帶來的量子相幹性給幹涉儀的“光源”提供了更多的選擇，原子幹涉儀在短波長物質波幹涉儀方向上前進了一大步，更進一步，還可以利用電子、中子、反物質粒子等實現幹涉儀。糾纏光以及以之爲基礎的特殊光場態的引入使幹涉儀的測量精度具備了提高到1/N海森伯極限的基本條件，而其糾纏光注入技術則從技術實現上完成了這一跨越[18]。此外，采用強度幹涉的鬼成像技術和超導量子幹涉器件也可以納入這一類型中來。
(3)由物理量測量向頻率測量轉換
以激光器、高精細度(高Q值)光學腔爲代表的現代量子光學技術是量子傳感能力提升的根本保障之一，隨著以原子鍾爲核心的量子頻率標准技術的不斷成熟，人類精密測量的能力在頻率這一基本單位上已提高到了不可思議的水平——頻率測量的不確定度已經達到了10-19水平[19]，日常運行的原子鍾(噴泉)也能達到10-15水平[20]，這一測量精度遠高于其他物理量的測量精度。因此，將其他物理量通過與量子系統(特別是原子能級)的相互作用，從而將被測量的物理量轉換爲頻率測量就成爲了一個重要的手段，其代表性技術有光泵原子磁力儀(基于特定原子的特定能級，磁場與頻率之間通過旋磁比進行聯系)[21，22]、裏德伯原子電場測量[23]、雙光梳測距等。
除此之外，一些技術方案，包括但不限于原子氣室多路徑技術、零差和外差檢測、雙光梳技術等，沒有列入，其原因在于，這些涉及到量子傳感性能提高的技術手段，原理上與經典光學幹涉儀、微波雷達檢測和電信號時間檢測等方面的技術趨同，並不屬于典型量子效應(即分立性、相幹性)所帶來的。
4量子傳感器的定義
與量子傳感的三要素類似，綜述[3]嘗試給出了量子傳感器的定義：
(1)量子系統的狀態需具備可分辨、分立的基本條件，等效爲二能級系統；
(2)量子系統的狀態具備初始化到任意狀態以及被讀取的可能性；
(3)量子系統的狀態能夠被操控，典型的如交變電磁場等；
(4)量子系統的狀態與待測物理量之間具有固定的轉化關系，一般可寫作γ=∂qE/∂Vq，其中，∂V表示待測物理量的變化，相應的，∂E表示量子系統能量的變化，q=1表示線性關系，q=2表示二次關系(依此類推)。
可以看到，與前述有關傳感的定義不同，這裏並沒有刻意強調量子糾纏效應，完全從實用的角度給出了量子傳感器的定義。因此，結合目前發展現狀，已進入實用化階段的量子傳感器的典型代表爲原子鍾、原子磁力儀、原子幹涉重力儀等。同時，金剛石色心、裏德伯原子電場探測等因其獨特的優勢也正在逐步成爲重要的技術發展方向，受到了較多的關注。這一部分涉及量子傳感技術的實際應用，受限于篇幅要求，我們將另文詳細討論有關量子傳感技術以及量子傳感器在應用方面的總體發展情況以及進一步的發展趨勢。
5結 語
本文主要介紹了量子傳感的基本理論和方法，從理論上總結了量子傳感的定義及基本概念，指出了量子傳感“量子性”的由來，並從實際應用的角度，給出了量子傳感的技術外延以及分類依據。本文還詳細介紹了有關量子傳感的基本實現架構，以及描述量子傳感性能的核心技術指標，並歸納了用于提高量子傳感性能的核心物理原理及技術方法。需要注意的是，量子傳感技術是伴隨著量子理論的發展而不斷發展的，其概念內涵以及技術外延也在近一個世紀的發展曆程當中不斷拓展。
發展至今，量子傳感已經成爲當前量子技術的三大核心發展方向之一，同時，也是發展曆史最悠久、技術成熟度最高、實際應用範圍最廣或潛在應用最多的量子技術。但即便如此，量子傳感同量子計算、量子通信一樣也面臨著如何抵抗外界環境對量子態所引入的退相幹機制——量子態對外界環境具有高敏感性，既是量子傳感的優勢，同時也給其在複雜環境下的穩定可靠使用帶來了技術挑戰。相比較而言，在應對環境所引起的退相幹機制這一塊，量子計算反而比量子傳感在處理方式上要直接的多——將外界所有幹擾盡可能進行屏蔽即可。量子傳感的核心目的是感受外界信息，如何在更複雜、更實際的環境中，充分發揮量子傳感所帶來的顛覆性的性能優勢，是目前量子傳感要解決的核心問題之一。
總之，量子傳感雖曆經一個世紀的發展，然方興未艾，其涉及到的技術範圍極廣、概念內涵以及描述方法也紛繁多樣。以此爲背景，本文是對量子傳感的核心概念、關鍵理論及技術方法進行歸納與總結的一次嘗試。鑒于作者自身研究方向無法覆蓋量子傳感的所有技術領域，難免會在部分技術、理論的描述方面有欠妥及不完備之處，敬請批評指正。
作者：郭弘 吳騰 羅斌
(1 北京大學電子學院 量子信息技術中心)
(2 北京郵電大學電子工程學院 信息光子學與光通信國家重點實驗室)
