我们要认识和了解量子，就必须知道量子物理状态，比如它是如何运动的，能量有多大等 。 如果对量子进行测量，就会发现测量的结果是完全随机的 。 这是因为，量子有着许多不同于宏观物理世界的奇妙现象和特性，比如量子叠加 。
“在我们生活的宏观世界里，量子叠加现象是无法存在也无法维持的 。 在宏观的经典世界
里，1就是1，2就是2 。 而在微观的量子世界中，一个状态可以存在于1和2之间，它既不是1，也不是2，但它既是1，又是2 。 ”中国科学技术大学上海研究院副研究员张文卓说 。
“这就好比孙悟空的分身术 。 一个孙悟空可以同时出现在多个地方，孙悟空的各个分身就像是它的叠加态 。 ”中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟解释道，“在日常生活中，一个人不可能同时出现在两个地方 。 但在量子世界里，作为一个微观的客体，它能够同时出现在许多地方 。 ”
宏观经典世界遵照的是经典力学规律，而在量子世界中，遵照的则是量子力学规律 。 在量子力学里，光子（量子的一种）可以朝着某个方向进行振动，叫做偏振 。 因为量子叠加，一个光子可以同时处在水平偏振和垂直偏振两个量子状态的叠加态 。 科学实验证明，因为量子叠加效应的存在，一经测量就会破坏或改变量子的状态 。 因此，如果拿一个仪器对量子进行测量，就会发现测量的结果完全随机，对于相同状态，无论观察得多仔细，得到的结果永远不同 。
三把“尺子”—— 量子特性让测量精度不断提高
由于量子力学测不准原理的限制，测量精度不可能无限制地提高，这个最终的极限被称为海森堡极限 。
但是，人们可以通过两种方式来提高测量精度：第一种是制备和利用分辨率更高的“尺子”； 第二种方式是通过多次重复测量减少测量误差，提高测量精度 。 近年来，人们发现利用量子力学的基本属性，例如量子相干、量子纠缠、量子统计等特性，可以实现突破经典散粒噪声极限限制的高精度测量，这就相当于找到了一把高灵敏度的量子“尺子” 。
按照对量子特性的应用，量子测量也有了三把“尺子”，第一把“尺子”是基于微观粒子能级测量；第二把“尺子”是基于量子相干性测量；第三把“尺子”是基于量子纠缠进行测量 。
第一把“尺子”从上世纪50年代就逐步在原子钟等领域开始应用 。 根据玻尔的原子理论，原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时便会释放电磁波 。 这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率 。
1967年，国际计量大会依据铯原子的振动而对秒做出了重新定义，即铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9192631770个周期的持续时间 。 这是量子理论在测量问题上的第一个重大贡献 。
量子测量第二把“尺子”是基于量子相干性的测量技术，利用量子的物质波特性，通过干涉法进行外部物理量的测量 。 现在已经广泛应用于陀螺仪、重力仪、重力梯度仪等领域 。 例如，冷原子干涉量子陀螺仪由于其超高精度和超高分辨率的优异特性，可以应用于高灵敏导航系统等 。
量子测量的最后一把“尺子”——基于量子纠缠的测量技术 。 理论上，如果让N个量子“尺子”的量子态处于一种纠缠态上，外界环境对这N个量子“尺子”的作用将相干叠加，使得最终的测量精度达到单个量子“尺”的1/N 。 该精度突破了经典力学的散粒噪声极限，是量子力学理论范畴内所能达到的最高精度——海森堡极限 。
2018年，中国科大郭光灿院士领导的研究组首次在国际上逼近了最优海森堡极限 。 而就在2021年1月，郭光灿院士领导的研究组同时实现了三个参数达到海森堡极限精度的测量 。 目前，科学家们已经在光子、离子阱和超导等物理系统中实现了对相位测量等物理量测量的实验演示，突破了经典测量极限，逼近或达到海森堡极限 。
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