中國信通院張萌等：量子測量技術進展及應用趨勢分析
0 引言
量子信息技術具有重要的科學和應用價值，引發產學研界廣泛的關注。量子計算和量子通信領域都面臨著一個亟待解決的問題——量子態的退相干效應。退相干是量子位與環境相互作用，會使得量子計算和通信中的疊加態或者糾纏態不受控制地發生改變，從而引起信息的錯誤或丟失。退相干現象與多種環境因素有關：比如環境電磁場、溫度的變化或者量子位之間的串擾。如果將這一“缺點”加以利用，通過量子態的變化直接或者間接地將環境物理量的大小讀取出來，就實現了量子測量。值得注意的是，退相干效應在量子測量領域依然是一個問題，它可能導致信噪比下降甚至信號消失。一個形象的比喻就是，在退相干條件下進行物理量測量就像給一個快速移動的人拍攝長曝光照片，結果會得到一張模糊的相片[1]。因此，為了實現高精度的量子測量，一方面需要盡可能保證量子態可控且可讀取；另一方面需要研究量子態退相干機制，根據待測物理量的特性，選取適合的量子體系和性質進行信號探測。
量子測量是指利用量子特性獲得更高性能的測量技術[2]。目前，對于量子測量沒有明確的公認的定義描述。筆者認為量子測量具備“二三四五”的特點：兩個基本特征、三種主要類型、四個基本步驟和五大主要應用領域。兩個基本特征是指測量系統中操作的對象是微觀粒子（如光子、原子、離子等），并且系統在待測物理場中演化導致量子態的改變實現精密測量。量子測量按照技術原理可以分為基于分立能級結構、基于量子相干疊加和基于量子糾纏/壓縮態三種主要類型。三大類型也是量子測量技術的三個演進階段，從分立能級到相干疊加，再到量子糾纏，測量精度不斷提升，甚至突破經典物理極限。代價是系統復雜度和成本提升、體積增大。量子測量的實施過程可以歸納為量子態的制備與初始化、量子體系在待測物理場中演化、演化后量子態的讀取和結果處理轉化四個基本步驟。目前，量子測量主要應用在時頻同步、磁場測量、定位導航、重力測量和目標識別/成像等領域。
圖1為量子測量技術的系統框架。最底層以量子力學為理論基礎，運用相干疊加、量子糾纏等技術上手段對原子、離子、光子等微觀粒子的量子態進行制備、操控、測量和讀取，配合數據的處理與轉換，實現對角速度、重力場、磁場、頻率等物理量的超高精度的精密探測，甚至有望突破經典物理的理論極限。通過應用層的軟件將結果呈現給行業用戶。在理論與技術基礎層面，基礎物理理論基本完備，但是部分原理技術仍有待突破，如量子糾纏態高效確定性的產生方法、遠距離分發技術等。在硬件與系統工程化層面，一些高校和研究院所的原理樣機基本成熟，并不斷探索和刷新性能指標；部分成熟領域處于工程化階段，建立初創公司，推出商用產品。在軟件開發層面，借助機器學習和量子計算開發數據處理軟件算法，可以高效地提取有效數據，從而降低系統對環境因素的嚴苛要求或提升數據采集實時性；控制軟件和應用軟件目前不是研究熱點，但又是未來商用化必須解決的問題。在行業應用層面，跨學科/跨領域應用場景探索是目前的研究熱點。
圖1 量子測量技術體系框架
量子測量技術具有超高的測量精度和超越經典極限的能力，但這并不代表量子測量技術短期內會取代經典測量。從目前來看，量子測量和經典測量應用領域和場景有所不同，量子測量技術測量精度高，適用于基礎科研、軍事國防等高精尖的領域，但是量子傳感器往往體積大、成本高、魯棒性差、需要專業人員調試和操控，還不適合大規模商業推廣；而傳統的經典傳感器，特別是MEMS傳感器，技術成熟、體積小、集成度高、成本低，更適用于民用場景，比如車聯網、物聯網等領域。未來一段時間內，量子測量技術作為傳統測量技術的一種增強和補充，短期內并不存在取代的關系。
1 國內外科研投入布局及研究現狀
量子測量涵蓋電磁場、加速度、角速度、重力應力、時間頻率等物理量，未來將在基礎理論研究、航空航天、生物醫藥、慣性制導、能源勘探等諸多領域應用，特別是很多技術涉及事國防領域，因此受到各國政府的關注，競相布局，加大研究開發的力度。
美國早在2016年就提出了十大“Big Ideas”作為長期研究計劃，其中包括“量子飛躍：引領下一次量子革命”計劃，著眼于實現更高效的計算、通信、傳感和模擬；國防部高級研究計劃局（DARPA）設立小企業創新研究（Small Business Innovation Research，SBIR）和小企業技術轉讓（Small Business Technology Transfer，SBTT）項目，支持包括量子傳感與計量在內的十余個技術領域的研究。2020年12月，美國空軍撥款3500 萬美元量子研究資金，AOSense等8家量子測量企業獲得資金支持。DARPA啟動的Micro-PNT計劃也支持了芯片級原子鐘、集成微型主原子鐘（冷原子鐘）、量子陀螺等領域的研究，開發小型化、芯片化的定位導航授時系統，重點研究和發展無源定位導航技術，確保軍隊能夠在全球定位導航系統拒止條件下保持高精度的定位導航授時能力。美國國防部啟動的“增強原子鐘穩定性”（ACES）項目旨在開發下一代芯片級原子鐘，并將性能提高1000 倍。
歐洲量子技術旗艦計劃成立于2018年，目的是將研究機構、行業和公共資助者聚集在一起，促進歐洲量子產業的發展，使量子研究成果成為商業應用和顛覆性技術。2020年2月，歐盟發布的量子旗艦計劃戰略研究進展報告中指出，量子傳感與測量技術主要聚焦于壓力、溫度、重力、磁場測量，以及時鐘同步、定位導航、超高分辨成像等領域，并在將醫學、物理、化學、生物學、地球物理、氣候科學、環境科學等應用領域產生重大的影響。歐洲量子旗艦計劃啟動了20個研究項目，其中有4個項目直接與量子測量相關，分別是macQsimal（用于傳感和計量應用的微型原子蒸氣池量子器件開發）、MetaboliQs（利用室溫金剛石量子動力學實現安全的多模式心臟成像）、iqClock（集成化量子時鐘）和 ASTERIQS（金剛石量子傳感技術）。
英國量子技術戰略委員會啟動國家量子技術計劃，投資1.2 億英鎊建立4個量子技術中心。其中，英國國家量子技術中心將聚焦量子傳感器和測量技術，應用于國防、地球物理學、醫學診斷、建筑、海軍導航、數據存儲主機、健康監測、游戲接口、GPS替換、數據存儲產品、本地網絡定時和重力成像等領域，量子成像中心將聚焦新型超高靈敏度相機，包括單光子可見光和紅外攝像機、單像素攝像機、極端時間分辨率成像、三維輪廓、高光譜、超低通量隱蔽照明、超視距成像和局部重力場成像等技術領域。并計劃在5年內為4個中心投資9400 萬英鎊，刷新了量子技術中心，以保持英國通過英國國家量子技術計劃在量子技術方面建立的技術研究領導地位。
德國實施的“量子技術——從基礎到市場”計劃，在2018—2022年間為量子技術研發、產業化撥款6.5 億歐元，重點研究包括用于高性能高安全數據網絡的測量技術在內的諸多技術領域，為量子技術的發展打下牢固的學術和經濟基礎。
日本文部省發布量子飛躍旗艦計劃（Q-LEAP），資助光量子領域的科學研究，重點支持包括量子測量和傳感器在內的3個技術領域的研發,每個技術領域設立1個基礎研究項目和2個旗艦項目。基礎研究項目每年資助2000 萬~3000 萬日元，旗艦項目每年資助3 億~4 億日元。在量子測量和傳感器領域，設置了固體量子傳感器及量子光傳感器2項旗艦項目。
在我國，中共中央政治局于2020年10月16日就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習，中國科學院薛其坤院士進行講解，提出了意見和建議。習近平總書記發表重要講話，為當前和今后一個時期我國量子科技發展做出重要戰略謀劃和系統布局。十九屆五中全會審議通過的“十四五”規劃建議中也提到對量子信息等前沿領域實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目。2020年12月以來，各省市陸續出臺“十四五”規劃與建議，提出加快突破核心關鍵技術，前瞻布局量子科技。安徽省特別提到要加快形成量子信息產業創新鏈，打造具有全球影響力的“量子中心”，并且積極布局空地一體量子精密測量實驗設施。
在各國項目資金的支持下，各大科研機構加大在量子測量領域的科研投入，圖2為國內外量子測量領域主要的高校和科研院所，2020年以來在量子陀螺儀[3-4]、金剛石氮-空位（NV）色心核磁共振譜測量[5-6]、量子雷達/成像/顯微[7-9]、量子測距[10]、光晶格鐘[11]、糾纏時鐘[12]、量子糾纏傳感網絡[13-15]、量子壓縮[16]及其在引力波探測領域應用[17-18]等諸多領域取得突破進展。
圖2 國內外量子測量領域主要高校和科研院所
2 國內外量子測量應用與產業分析
從不同技術路線對比來看，基于量子糾纏的測量技術在學術研究方面備受關注，原因在于其測量精度最高,理論分析證明可以突破經典物理學的標準量子極限（Standard Quantum Limit，SQL），已經在量子雷達、糾纏時鐘網絡等領域開展應用探索，但技術成熟度也最低，目前還處于理論驗證或原理樣機開發階段，商業應用前景尚不明朗。基于冷原子干涉和無自旋交換弛豫原子自旋（Spin Exchange Relaxation Free，SERF）的量子測量技術具有較高的理論測量精度，除進一步提升系統測量進度外，目前已開展相關領域小型化、芯片化和可移動化的研究，但是距離規模商用仍有一定距離。基于核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）的量子測量技術雖然精度不如冷原子及SERF，但是研究起步早，技術成熟，目前已有相對成熟的模塊化商品應用，芯片化、低功耗、低成本是未來研究趨勢。量子增強測量技術采用量子技術對經典信號的測量精度進行提升，對現有系統改造最小，與傳統測量系統兼容性較強，特別是在雷達探測、目標成像等領域具有潛在應用價值。
從國內外對比來看，部分領域國內成果與國際先進水平還有1~ 2個數量級的差距，部分領域成果可以與國際并跑。總體來看，我國量子測量技術前沿研究屬于穩步發展的階段。但是從公司參與程度、產業化程度看，我國與歐美國家差距較大（見圖3）。歐美多家公司已推出基于冷原子、超導、SERF、核磁共振等量子技術的重力儀、頻率參考（原子鐘）、磁力計、加速度計、陀螺儀等商業產品。此外，全球量子測量市場和產業的增長越來越多地受到合作伙伴的共同推動，系統設備商與設備供應商、高等院校、研究機構等建立合作伙伴關系，使市場參與者能夠利用彼此的技術專長共同促進產品研發和推廣。我國量子測量應用與產業化正在逐步發力。較為成熟的量子測量產品主要集中于量子時頻同步領域。中國電子科技集團有限公司、中國航天科技集團有限公司、中國航天科工集團有限公司和中國船舶重工集團有限公司下屬的一些研究機構正逐步在各自優勢領域開展量子測量方向研究，突破關鍵技術，完成原理樣機向工程化產品的轉化，未來的5~10 年將形成產業化能力基礎。高校和研究機構對于科研成果的商業轉化支持力度也逐步增大。
圖3 國內外量子測量產業化對比
總體來說，整個量子測量產業目前還處于初級階段，尚不具規模。主要原因包括：一方面量子測量領域的技術門檻比較高，需要一定的專業知識和技術積累，對人才的專業素養要求嚴格，目前大部分的量子測量企業都是從高校或者科研院所孵化的，或者具有軍工背景；另一方面，除了量子雷達、量子磁力計具有明確的民用場景外，其他量子測量技術主要定位于非民用、非工業的應用場景，面向軍隊或政府等特殊領域的封閉市場，不適于推廣商用。
3 量子測量領域標準化初步探索
量子測量領域目前僅在零星的領域開展標準化預研和初步探索，標準化尚未全面開展。例如，ITU-T 的面向網絡的量子信息技術焦點組（FG-QIT4N）和IETF的量子互聯網研究組對量子時頻同步在網絡中的應用案例開展研究；國內TC578（全國量子計算與測量標準化技術委員會）立項研究課題，開展量子慣性測量測試方法研究；中國通信標準化協會（CCSA）量子通信與信息技術特設任務組（ST7）在量子信息處理工作組（WG2）立項研究課題，開展量子時間同步技術在通信網中的應用研究。
量子測量領域開展標準化工作面臨一系列問題：量子測量分支領域多，技術方案差異大，標準化存在一定難度；很多領域術語定義以及綜合評價的指標體系、測試方法尚未統一；由于該領域產業規模相對較小，行業用戶、設備商參與度較低。因此，量子測量領域開展標準化工作需要注意以下幾點。
（1）標準體系建設需要整體布局，對量子傳感器的應用場景、技術成熟度、商業前景進行梳理分析，并且優先完成對量子測量領域關鍵術語定義、總體技術要求、性能指標科學評價體系、客觀統一測試方法等方面的標準化工作。
（2）各分支領域的標準化工作，需要專業技術背景較強的科研人員、產品開發人員和標準化專家共同核心參與完成。
（3）提升行業用戶、設備制造商等在標準制定中的參與度，面向重點領域成立標準推進聯盟或焦點組，促進產學研用各方就原理探索、技術攻關、產品研發、部署應用等方面問題深度交流合作，協同推進產業生態構建與標準制定。
（4）國家標準制定中充分發揮商業企業、科研院所、行業組織等的推動作用，加快我國標準國際化進程，有規劃地將我國優勢領域的技術推向國際化標準組織，爭取更大話語權。
4 我國基礎領域問題及發展建議
我國量子測量大部分核心組件主要基于自主研發，但設計和研制樣機所需的部分元器件、高端儀表、基礎材料依然不能完全實現自主可控，大致可以分為幾個方面：國內不具備商業化能力或者產品性能不能滿足需求，需要通過進口途徑購買；國內不具備生產能力，又涉及國防軍工等敏感領域，進口困難；國內具有研發潛力，但是市場規模用量非常小，僅靠市場很難推動相關的研發制造；需要結合工程應用的需求定制化開發。
前兩類元器件缺乏自主研發能力，容易形成“卡脖子”風險，需針對涉及重要領域瓶頸的關鍵技術進行全面梳理，加強研發攻關；第三類單依靠市場難以推動，需要政策及項目資金引導；第四類需要專用化特異性的研究和技改項目支持研究，也需要多個優勢院所聯合攻關才能真正解決。對于基礎加工方面，應繼續以科學態度弘揚“大國工匠”精神，提升基礎加工制造工藝水平，特別是高精密加工和先進基礎工藝領域。通過政策、項目、資金、市場多管齊下，進一步實現量子測量系統中的基礎材料、核心器件、輔助器件以及測試高端儀表的自主研發。
當前量子測量產業發展處在早期階段，產業資源集中在核心系統設計及整機的工程化開發中，在大規模應用推廣到來之前量子測量的應用對上游的牽引力還不足，導致上游有實力的元器件及工藝廠商在面向量子產業的研發投入不足，制約了產業的整體發展。因此，需要在項目布局方面向上游生態企業延展，是拓寬當前量子測量產業邊界重要的推動點。
5 結束語
量子測量技術是量子科學理論和測量、傳感、計量技術相結合的產物，具有廣闊的應用前景。近年來，政策和項目扶持力度逐步加大，科研領域保持活躍，性能指標不斷提升，同時與生物醫藥、地質探測等諸多領域相結合涌現出一系列應用成果案例。我國具備良好的科研基礎，但是產業化和標準化方面還處于起步階段，仍需要產學研用多方合作交流，共同提升工程化和實用化水平，推動產業落地。面對技術瓶頸，應發揮優勢、聯合攻關，最終實現量子測量領域的自主可控。
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