趨勢觀察：國戰(zhàn)際略量部子署傳與感研與究測熱量點領*域

量子傳感與測量技術是量子信息技術的主要方向之一，2019 年起代表精密測量最高水平的 7 個基本物理量的計量基準已經(jīng)全部通過量子信息技術實現(xiàn)。量子傳感與測量是通過調(diào)控與觀測量子級別的微觀粒子系統(tǒng)來進行物理量的測量，與傳統(tǒng)技術有明顯區(qū)別，其主要的測量方案可以分為 3 類：運用量子體系的分離能級結(jié)構(gòu)來測量物理量；使用量子相干性來測量物理量；使用疊加態(tài)和糾纏態(tài)等量子體系中獨有的物理現(xiàn)象來提高測量靈敏度或精度。在經(jīng)濟社會與國防建設領域，依托量子傳感與測量技術可開發(fā)比傳統(tǒng)技術精度更高、成本更低和尺寸更小的精密測量設備，能實現(xiàn)無全球定位系統(tǒng)（GPS）信號環(huán)境下的定位與導航；在科學研究領域，借助量子傳感與測量技術可幫助科學家探尋宇宙暗物質(zhì)，有望推動宇宙天文學、粒子物理學和原子分子物理學等多個基礎學科的發(fā)展①徐婧, 唐川, 楊況駿瑜. 量子傳感與測量領域國際發(fā)展態(tài)勢分析. 世界科技研究與發(fā)展, 2022, DOI: 10.16507/j.issn.1006-6055. 2021.12.008.。目前，正是我國發(fā)展量子傳感與測量技術，實現(xiàn)精密測量領域自主創(chuàng)新的大好時機。本文系統(tǒng)解讀國際量子傳感與測量領域的重大戰(zhàn)略部署及近年研究熱點，并基于此提出對我國發(fā)展量子傳感與測量技術的建議。

1 國際量子傳感與測量領域戰(zhàn)略部署

目前，量子傳感與測量技術的前沿研究主要集中在以美國、歐盟和中國為首的國家和地區(qū)，本文根據(jù)技術發(fā)展程度和特點，選取美國、歐盟、中國、澳大利亞和日本等典型代表進行分析。

1.1 美國：重點布局研究中心，強調(diào)多學科融合研究

美國在《國家量子計劃法案》的整體布局下，深入開展量子信息技術的研究，投入經(jīng)費遠超原計劃的 12.75 億美元，主要承擔機構(gòu)有美國國家科學基金會（NSF）、美國能源部（DOE）和美國國家標準與技術研究院（NIST），并高度重視量子技術與其他技術的融合發(fā)展。

（1）NSF 相關布局。NSF 是美國政府資助量子信息研究的主要機構(gòu)之一。2016 年 1 月 1 日—2021年 4 月 20 日，NSF 資助的名稱中含有“量子傳感”（quantum sensing）關鍵詞的項目共計 94 項，資助總額度約 6 800 萬美元。2020 年 NSF 宣布成立一家有關量子傳感的量子飛躍挑戰(zhàn)研究所——糾纏科學和工程學的量子系統(tǒng)（Q-SEnSE）研究所。Q-SEnSE 研究所由科羅拉多大學牽頭，負責構(gòu)建具有真正量子優(yōu)勢的可擴展、可編程量子傳感系統(tǒng)；目前，該研究所已收到 NSF 資助 770 萬美元。2021 年 NSF 又宣布在融合加速器（convergence accelerator）項目下斥資 100 萬美元用來支持芝加哥大學開展基于量子傳感的高通量蛋白質(zhì)組學技術研究。

（2）DOE 相關布局。2020 年 4 月，DOE 斥資 1 200 萬美元支持量子傳感等技術在聚變能源研究中的應用，并在第二年持續(xù)投入 1 100 萬美元支持聚變能源與量子傳感的聯(lián)合研究。2020 年 8 月，DOE 宣布 5 年投入 6.25 億美元，由其下屬的國家實驗室牽頭建設 5 家量子信息科學研究中心；每個中心都將有一個跨科學和跨工程領域的合作研究團隊，以整合來自各技術領域的要素。其中，在量子傳感與測量領域，超導量子材料和系統(tǒng)中心（SQMS）主要負責構(gòu)建和部署用于傳感的高級量子系統(tǒng)；下一代量子科學與工程中心（Q-NEXT）將通過物理、材料和生命科學領域的變革性應用實現(xiàn)超高靈敏度的傳感器。

（3）NIST 相關布局。NIST 與美國頂尖大學合作，建立了多個從事量子信息技術研究的聯(lián)合研究所。例如：① 吉拉研究所（JILA），由 NIST 與科羅拉多大學博爾德分校聯(lián)合設立，主要探索量子測量技術的局限性，以及量子物理學在化學、生物學中的作用；② 量子信息與計算機科學聯(lián)合中心（QuICS），由 NIST 與馬里蘭大學合作建立，主要負責推進量子計算機科學和量子信息理論的研究和教育；③ 聯(lián)合量子研究所（JQI），也由 NIST 與馬里蘭大學合作建立，主要研究相干量子現(xiàn)象的基本理論，并為原子物理學、凝聚態(tài)物質(zhì)理論和量子信息技術的融合研究提供基礎；④ 量子經(jīng)濟發(fā)展聯(lián)盟（QEDC），由 NIST 牽頭成立，旨在提升美國在全球量子研發(fā)及新興量子產(chǎn)業(yè)方面的領導地位。

1.2 歐盟：重視整體規(guī)劃，采取“三步走”戰(zhàn)略

歐盟在“量子技術旗艦計劃”（Quantum Flagship）下對量子技術的整體研發(fā)與商業(yè)化制定了切實的目標。2018 年“量子技術旗艦計劃”正式啟動 4 項量子傳感與測量項目，包括金剛石動態(tài)量子多維成像（MetaboliQs）、集成量子鐘（iqClock）、微型原子氣室量子測量（MACQSIMAL）和金剛石色心量子測量（ASTERIQS），經(jīng)費共計 3 671.5 萬歐元。2020 年歐盟《戰(zhàn)略研究議程》（SRA）報告為量子傳感與測量設定了“三步走”戰(zhàn)略：① 3 年內(nèi)——開發(fā)出采用單量子比特相干且分辨率和穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)對手的量子傳感器、成像系統(tǒng)與量子標準，并在實驗室中演示；② 6 年內(nèi)——開發(fā)出集成量子傳感器、成像系統(tǒng)與計量標準原型，并將首批商業(yè)化產(chǎn)品推向市場，同時在實驗室中演示用于傳感的糾纏增強技術；③ 10 年內(nèi)——從原型機過渡至商業(yè)設備。

1.3 中國：依托重點項目，主攻關鍵技術研發(fā)

2016 年中國在《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》中將量子信息技術作為國家重點培養(yǎng)的顛覆性技術之一；之后，在 2020 年《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和 2035 年遠景目標綱要》中提出要瞄準量子信息，實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項目；2021 年 12 月，《計量發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》提出，到 2035 年，建成以量子計量為核心、科技水平一流、符合時代發(fā)展需求和國際化發(fā)展潮流的國家現(xiàn)代先進測量體系。

自 2016 年起，中國布局了多個量子傳感與測量領域的重點項目，如“量子調(diào)控與量子信息”“地球觀測與導航”和“智能傳感器”等；同時，針對芯片原子鐘技術、空間量子成像技術和高精度原子磁強計等關鍵技術領域進行研發(fā)。2022 年 1 月，中國科學技術大學取得量子測量重要進展，首次實現(xiàn)了海森堡極限精度的量子精密測量。

1.4 澳大利亞：進行針對性研發(fā)

澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）在2020 年制定了量子技術路線圖——《增長的澳大利亞量子技術產(chǎn)業(yè)：爭取 40 億澳元的產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇》，以求在全球量子競爭中保持優(yōu)勢，并使量子產(chǎn)業(yè)得到可持續(xù)性發(fā)展。在量子傳感與測量領域，CSIRO 布局了 5 個重點發(fā)展方向：① 基于量子增強技術的軍用及民用精確導航；② 用于地下環(huán)境傳感的量子重力測量；③ 用于重力波觀測的增強量子傳感器；④ 發(fā)現(xiàn)新礦床的量子磁強計傳感器；⑤ 國防量子技術。

1.5 日本：聚焦應用市場

在“量子飛躍旗艦計劃”（Q-LEAP）的整體部署下，日本聚焦未來傳感器市場小型化、低成本的需求，研發(fā)固態(tài)量子傳感器等先進的量子傳感器技術。2021 年公布的 Q-LEAP 項目資助情況顯示，在量子傳感與測量領域主要開發(fā)用于生物醫(yī)學技術的量子傳感設備，具體包括：① 具有高靈敏度和高空間分辨率的腦磁圖測量原型系統(tǒng)；② 基于電能的電流和溫度監(jiān)測原型系統(tǒng)；③ 生物納米量子傳感器、超靈敏磁共振/核磁共振，以及基于量子理論闡述和模擬生命現(xiàn)象；④ 可用于醫(yī)學和生命科學研究的測量技術原型。

2 量子傳感與測量領域研究熱點

目前，國際量子傳感與測量應用研究主要聚焦五大領域：量子磁場測量、量子成像、量子時間測量、量子重力測量和量子慣性測量。

2.1 量子磁場測量

量子磁場測量是現(xiàn)代精密測量科學中一個非常重要的方向。高靈敏度量子磁力儀主要有光泵磁力儀、基于無自旋交換弛豫（SERF）原子磁力儀和相干布居囚禁（CPT）磁力計等。其中，SERF 原子磁力儀是未來超高精度磁場測量的發(fā)展方向；而 CPT 磁力計兼具測量精度和小型化優(yōu)勢，已經(jīng)開始進入芯片級傳感器的研究。

2020 年 5 月，復旦大學物理系實現(xiàn)了突破標準量子極限的高靈敏度原子磁力計，在精密測量的實際應用道路上邁出了重要一步。同年 6 月，歐洲核子研究中心對一種新型石墨烯霍爾傳感器進行了測試，希望借助它在較寬的溫度范圍內(nèi)構(gòu)建新的磁場測繪系統(tǒng)。同年 7 月，中國科學技術大學杜江峰、王亞研究團隊在金剛石量子模擬實驗研究方面取得新進展，有望推進金剛石單自旋體系在量子精密測量領域產(chǎn)生更廣泛的應用；同時，郭光燦研究團隊利用糾纏探針態(tài)，提出了多參數(shù)量子磁強計的最終精度極限。同年 8 月，澳大利亞皇家墨爾本理工大學利用傳統(tǒng)的玻璃纖維制造高性能金剛石傳感器，為量子磁場測量技術在水下監(jiān)測、采礦等領域的應用打開了大門。2021 年 10 月，丹麥奧胡斯大學利用光泵磁力儀（OPM）對視網(wǎng)膜進行診斷。OPM 有望取代纖維電極和隱形眼鏡電極，提供一種舒適的非接觸式臨床視網(wǎng)膜掃描系統(tǒng)。同年 12 月，美國麻省理工學院利用金剛石氮空位（NV）色心設計出一種基于量子磁場測量的傳感器，其有望更快、更準確地檢測新型冠狀病毒。

2.2 量子成像

量子成像是基于量子糾纏的一種新型成像技術。相較傳統(tǒng)的成像技術，利用量子成像技術可以在紅外波段獲得高分辨率的圖像，更易在軍事探查、航空探測等領域揮發(fā)作用。目前，致力于量子成像研究的機構(gòu)和團隊很多，各類成果集中凸顯。

2020 年 1 月，美國加州大學伯克利分校和愛荷華州立大學利用納米量子傳感器在高壓下進行應力和磁力成像。同年 3 月，德國凱澤斯勞滕工業(yè)大學物理系的研究人員通過量子傳感確定了太赫茲路徑中樣品的層厚，這是太赫茲量子成像領域的第一個里程碑。同年 5 月，意大利帕維亞大學和中國科學院重慶綠色智能技術研究院共同提出了一種使用糾纏光子作為雷達探測器的方法，該方法可以更精準地進行位置測量。2021 年 6 月，NSF 宣布支持 2 個有關量子成像的研究項目——“納米級量子傳感器中的光物質(zhì)相互作用成像”和“低成本短波紅外成像的膠體量子點圖像傳感器”。同年 7 月，俄羅斯聯(lián)合研究團隊開發(fā)出首個適用于腦磁圖的室溫固態(tài)量子傳感器，有望使監(jiān)測腦電活動的成本大幅下降。同年 11 月，德國漢堡大學激光物理研究所開創(chuàng)了一種新的量子氣體成像方法，可以精確測量原子數(shù)量、原子之間的關聯(lián)，以及它們形成的圖樣。

2.3 量子時間測量

當前，基于衛(wèi)星的時間同步技術被廣泛應用于各類系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)容易受到破壞和干擾。量子時間測量有望成為一種更好的替換技術。其中，光學時鐘、原子鐘是前沿研究的熱點。量子時間測量的發(fā)展趨勢主要為高精度、小型化和低成本。

2020 年 1 月，德國聯(lián)邦物理技術研究院實現(xiàn)了對高電荷態(tài)離子的精確光學測量，可用于精密光譜學及具有特殊性能的未來時鐘。同年 8 月，由英國蘭卡斯特大學、英國倫敦皇家霍洛威大學倫敦分校、美國耶魯大學和芬蘭阿爾托大學組成的國際研究團隊首次觀察到了“時間晶體”的相互作用，其有望改善當前的原子鐘技術，提高陀螺儀性能。

2.4 量子重力測量

量子重力測量可用于土木工程、公用設施和運輸基礎設施例行監(jiān)測等領域，并能降低成本。超高精度和小型化是量子重力測量的兩個方向。大型超高精度噴泉式冷原子重力儀有望成為基礎科研的有力工具，小型化下拋式冷原子重力儀有望應用于各類可移動平臺；但目前，冷原子重力儀的工程化研發(fā)還處于起步階段，設備可靠性和環(huán)境適應性等方面還需要進一步提升。

2020 年 7 月，英國倫敦大學、荷蘭格羅寧根大學和英國華威大學的研究人員聯(lián)合提出了一種中頻引力波量子探測器，該探測器的體積僅為目前使用探測器體積的 1/4000。同年 8 月，英國伯明翰大學和 Nemein 有限公司的研究人員開發(fā)出了基于原子干涉測量的量子重力傳感器，該傳感器已經(jīng)被用于石油和天然氣領域。

2.5 量子慣性測量

量子慣性測量是未來解決定向、導航和運動載體控制的重要技術。其中，核磁共振陀螺發(fā)展最為成熟，已經(jīng)進入芯片化產(chǎn)品研發(fā)階段；而原子干涉、超流體干涉和金剛石色心陀螺目前還處于原理驗證和技術試驗階段，距離實用化較遠。

2020 年 1 月，澳大利亞研究人員通過實驗證明旋轉(zhuǎn)量子物體會影響它的自旋，并且可檢測到這種影響，這一發(fā)現(xiàn)可推動納米級旋轉(zhuǎn)傳感的發(fā)展。同年 9 月，美國亞利桑那大學開展了“用于糾纏增強力和慣性傳感的量子互連光力學傳感器”項目，希望利用糾纏互連提高傳感器的靈敏度。2021 年 9 月，美國亞利桑那大學在 NSF 的支持下，開展了“量子傳感器”項目，目的是利用量子態(tài)的優(yōu)點構(gòu)建超高靈敏度的陀螺儀、加速度計和其他傳感器。

3 啟示與建議

（1）重視量子傳感與測量領域發(fā)展，建立國防技術屏障。相較于量子計算和量子通信，我國在量子傳感與測量領域的投入較少。但在軍事、醫(yī)療等依賴高精度傳感和測量的領域，量子傳感與測量技術有著十分關鍵的作用；特別是在國防軍事領域，量子雷達技術將顛覆隱身技術和電子戰(zhàn)模式。目前，美國、加拿大、澳大利亞等國正在積極開展相關研究，我國應長期支持量子傳感與測量技術的應用轉(zhuǎn)化，以應對未來可能的風險。

（2）分層次布局研發(fā)重點，力求在空白領域掌握主動權(quán)。量子傳感與測量領域涉及學科面廣，研發(fā)橫向跨度大，有些研發(fā)方案基于已有技術平滑演進，而有些方案則是完全空白的新興方向。不同類型的量子傳感與測量技術的發(fā)展程度和應用前景存在一定差異。我國應分層次布局研發(fā)重點，在原子鐘、核磁共振陀螺和單光子探測與干涉測量等方向上選取已有基礎的方案進行重點攻關和產(chǎn)業(yè)化，爭取提前進行市場布局；在量子糾纏測量、量子關聯(lián)成像和超流體干涉測量等新興方向上進行重大科研項目布局，力求在空白領域掌握主動權(quán)。

（3）強化關鍵專利布局，搶占未來市場先機。量子傳感與測量不同于量子計算或量子通信，沒有一個統(tǒng)一、可參考的研發(fā)路線圖，各種傳感和測量方案呈現(xiàn)多點創(chuàng)新，因而在知識產(chǎn)權(quán)保護和未來市場感知層面需不斷提高科研人員的敏銳度和判斷力。我國應在研發(fā)過程中重視關鍵專利的布局，避免陷入國外專利圍剿困局，搶占未來市場先機。

致謝中國科學技術大學王亞、電子科技大學鄧光偉對本文提出了寶貴意見與建議，在此謹致謝忱！