在經(jīng)典力學(xué)里，物體的狀態(tài)可以被精確測(cè)量，并且觀察和測(cè)量對(duì)觀察對(duì)象的干擾可以忽略不計(jì)，但在微觀世界，干擾是無(wú)論如何都不能忽略的。對(duì)量子進(jìn)行測(cè)量，就會(huì)發(fā)現(xiàn)測(cè)量的結(jié)果完全隨機(jī)，得到的結(jié)果永遠(yuǎn)不同。

在量子物理學(xué)中，某些東西從嚴(yán)格意義上說(shuō)是不可知的。例如，你永遠(yuǎn)不可能同時(shí)知道電子的位置和動(dòng)量，在硬幣落下之前，你也不知道哪個(gè)面會(huì)朝上。在測(cè)量之前，電子的位置、動(dòng)量等狀態(tài)，是各種可能狀態(tài)的疊加；在硬幣落地靜止之前，它的狀態(tài)是“正面朝上”和“背面朝上”兩種狀態(tài)的疊加，僅當(dāng)測(cè)量時(shí)，它才會(huì)選擇一種確定的狀態(tài)呈現(xiàn)出來(lái)。

在測(cè)量的過(guò)程中瞬間發(fā)生隨機(jī)突變，是量子力學(xué)中一大神奇之處，這也意味著，測(cè)量在量子力學(xué)中的重要性，比在經(jīng)典力學(xué)中重要得多。

世界上最精密的測(cè)量?jī)x器當(dāng)屬激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO），人類利用它首次觀測(cè)到了引力波事件，代表了人類當(dāng)前最高的測(cè)量水平。為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，科學(xué)家們不約而同地把目光聚向基于量子力學(xué)的量子精密測(cè)量技術(shù)。這是一種怎樣的技術(shù)呢？

經(jīng)典測(cè)量——你測(cè)或者不測(cè)，我都不增不減

新冠疫情出現(xiàn)后，一個(gè)人體指標(biāo)受到前所未有的關(guān)注，那就是體溫，對(duì)于人體溫度的測(cè)量就是一種物理量測(cè)量。

沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有科學(xué)。現(xiàn)代科學(xué)是在“假設(shè)—檢驗(yàn)—模型—理論”的循環(huán)過(guò)程中建立和發(fā)展起來(lái)的。把測(cè)量精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)往往會(huì)導(dǎo)致新的物理發(fā)現(xiàn)。物理量單位的定義、測(cè)量值的精度、物理常數(shù)的大小及制約關(guān)系是否成立，成為了檢驗(yàn)物理定律的關(guān)鍵。

在經(jīng)典力學(xué)里，物體的狀態(tài)可以被精確測(cè)量，并且觀察和測(cè)量對(duì)觀察對(duì)象的干擾可以忽略不計(jì)，但在微觀世界，干擾是無(wú)論如何都不能忽略的。

實(shí)際上，對(duì)任何物理量的測(cè)量都會(huì)伴隨著噪聲，這會(huì)干擾我們對(duì)系統(tǒng)的精確控制。通常認(rèn)為，經(jīng)典噪聲主要來(lái)源于技術(shù)缺陷、儀器不理想等因素，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的經(jīng)典噪聲大大降低，常?？梢院雎圆挥?jì)。

根據(jù)數(shù)學(xué)上的中心極限定理，重復(fù)N次（N遠(yuǎn)大于1）獨(dú)立的測(cè)量，其測(cè)量的結(jié)果滿足正態(tài)分布，而其測(cè)量的誤差就可以達(dá)到單次測(cè)量的1/公式。因此，測(cè)量精度也就提高到單次測(cè)量的公式倍。這也就是經(jīng)典力學(xué)框架下的測(cè)量極限——散粒噪聲極限。

經(jīng)典測(cè)量所能達(dá)到的最小噪聲即散粒噪聲,對(duì)應(yīng)著測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量子極限。1927年，海森堡提出了量子力學(xué)中著名的測(cè)不準(zhǔn)原理，他認(rèn)為，粒子的位置與動(dòng)量不可同時(shí)被確定，位置測(cè)定得越準(zhǔn)確，動(dòng)量的測(cè)定就越不準(zhǔn)確，反之亦然。

海森堡不確定性原理似乎是遮掩這些可觀測(cè)量真實(shí)數(shù)值的一層模糊的面紗。其實(shí)，這是表示這些變量只能定義到海森堡極限所允許的精度。量子噪聲與經(jīng)典噪聲的區(qū)別，在于如熱噪聲、散粒噪聲等都與溫度相關(guān)——溫度越低，噪聲越低。當(dāng)溫度達(dá)到絕對(duì)零度時(shí)，經(jīng)典噪聲將完全消失。但是，你卻無(wú)法消除量子噪聲——因?yàn)楦鶕?jù)量子力學(xué)原理，空間中總是充滿著波動(dòng)的能量，整個(gè)宇宙中都活躍著量子噪聲。

量子測(cè)量——既不是1也不是2，既是1又是2

量子理論在揭示和應(yīng)用微觀世界規(guī)律方面取得了巨大成功，這也被稱為第一次量子革命，由此衍生的諸多重大發(fā)明，主要是建立在對(duì)量子規(guī)律宏觀體現(xiàn)的應(yīng)用層面。

隨著科學(xué)家們對(duì)量子疊加和量子糾纏等特性進(jìn)行深入研究，人類已經(jīng)能夠直接對(duì)單個(gè)量子客體（光子、原子、分子、電子等）的狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)制備、精確操縱和測(cè)量，從而能夠以一種全新的“自下而上”的方式來(lái)利用量子規(guī)律認(rèn)識(shí)和改造世界。量子調(diào)控和量子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展標(biāo)志著第二次量子革命的興起。

我們要認(rèn)識(shí)和了解量子，就必須知道量子物理狀態(tài)，比如它是如何運(yùn)動(dòng)的，能量有多大等。如果對(duì)量子進(jìn)行測(cè)量，就會(huì)發(fā)現(xiàn)測(cè)量的結(jié)果是完全隨機(jī)的。這是因?yàn)椋孔佑兄S多不同于宏觀物理世界的奇妙現(xiàn)象和特性，比如量子疊加。

“在我們生活的宏觀世界里，量子疊加現(xiàn)象是無(wú)法存在也無(wú)法維持的。在宏觀的經(jīng)典世界里，1就是1，2就是2。而在微觀的量子世界中，一個(gè)狀態(tài)可以存在于1和2之間，它既不是1，也不是2，但它既是1，又是2?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院副研究員張文卓說(shuō)。