量子傳感與測(cè)量技術(shù)是量子信息技術(shù)的主要方向之一，2019 年起代表精密測(cè)量最高水平的 7 個(gè)基本物理量的計(jì)量基準(zhǔn)已經(jīng)全部通過量子信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)。量子傳感與測(cè)量是通過調(diào)控與觀測(cè)量子級(jí)別的微觀粒子系統(tǒng)來進(jìn)行物理量的測(cè)量，與傳統(tǒng)技術(shù)有明顯區(qū)別，其主要的測(cè)量方案可以分為 3 類：運(yùn)用量子體系的分離能級(jí)結(jié)構(gòu)來測(cè)量物理量；使用量子相干性來測(cè)量物理量；使用疊加態(tài)和糾纏態(tài)等量子體系中獨(dú)有的物理現(xiàn)象來提高測(cè)量靈敏度或精度。在經(jīng)濟(jì)社會(huì)與國防建設(shè)領(lǐng)域，依托量子傳感與測(cè)量技術(shù)可開發(fā)比傳統(tǒng)技術(shù)精度更高、成本更低和尺寸更小的精密測(cè)量設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)無全球定位系統(tǒng)（GPS）信號(hào)環(huán)境下的定位與導(dǎo)航；在科學(xué)研究領(lǐng)域，借助量子傳感與測(cè)量技術(shù)可幫助科學(xué)家探尋宇宙暗物質(zhì)，有望推動(dòng)宇宙天文學(xué)、粒子物理學(xué)和原子分子物理學(xué)等多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展①徐婧, 唐川, 楊況駿瑜. 量子傳感與測(cè)量領(lǐng)域國際發(fā)展態(tài)勢(shì)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(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量領(lǐng)域自主創(chuàng)新的大好時(shí)機(jī)。本文系統(tǒng)解讀國際量子傳感與測(cè)量領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略部署及近年研究熱點(diǎn)，并基于此提出對(duì)我國發(fā)展量子傳感與測(cè)量技術(shù)的建議。

1 國際量子傳感與測(cè)量領(lǐng)域戰(zhàn)略部署

目前，量子傳感與測(cè)量技術(shù)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(shù)發(fā)展程度和特點(diǎn)，選取美國、歐盟、中國、澳大利亞和日本等典型代表進(jìn)行分析。

1.1 美國：重點(diǎn)布局研究中心，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科融合研究

美國在《國家量子計(jì)劃法案》的整體布局下，深入開展量子信息技術(shù)的研究，投入經(jīng)費(fèi)遠(yuǎn)超原計(jì)劃的 12.75 億美元，主要承擔(dān)機(jī)構(gòu)有美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）、美國能源部（DOE）和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST），并高度重視量子技術(shù)與其他技術(shù)的融合發(fā)展。

（1）NSF 相關(guān)布局。NSF 是美國政府資助量子信息研究的主要機(jī)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(guān)鍵詞的項(xiàng)目共計(jì) 94 項(xiàng)，資助總額度約 6 800 萬美元。2020 年 NSF 宣布成立一家有關(guān)量子傳感的量子飛躍挑戰(zhàn)研究所——糾纏科學(xué)和工程學(xué)的量子系統(tǒng)（Q-SEnSE）研究所。Q-SEnSE 研究所由科羅拉多大學(xué)牽頭，負(fù)責(zé)構(gòu)建具有真正量子優(yōu)勢(shì)的可擴(kuò)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(xiàng)目下斥資 100 萬美元用來支持芝加哥大學(xué)開展基于量子傳感的高通量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)研究。

（2）DOE 相關(guān)布局。2020 年 4 月，DOE 斥資 1 200 萬美元支持量子傳感等技術(shù)在聚變能源研究中的應(yīng)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(shí)驗(yàn)室牽頭建設(shè) 5 家量子信息科學(xué)研究中心；每個(gè)中心都將有一個(gè)跨科學(xué)和跨工程領(lǐng)域的合作研究團(tuán)隊(duì)，以整合來自各技術(shù)領(lǐng)域的要素。其中，在量子傳感與測(cè)量領(lǐng)域，超導(dǎo)量子材料和系統(tǒng)中心（SQMS）主要負(fù)責(zé)構(gòu)建和部署用于傳感的高級(jí)量子系統(tǒng)；下一代量子科學(xué)與工程中心（Q-NEXT）將通過物理、材料和生命科學(xué)領(lǐng)域的變革性應(yīng)用實(shí)現(xiàn)超高靈敏度的傳感器。

（3）NIST 相關(guān)布局。NIST 與美國頂尖大學(xué)合作，建立了多個(gè)從事量子信息技術(shù)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(xué)博爾德分校聯(lián)合設(shè)立，主要探索量子測(cè)量技術(shù)的局限性，以及量子物理學(xué)在化學(xué)、生物學(xué)中的作用；② 量子信息與計(jì)算機(jī)科學(xué)聯(lián)合中心（QuICS），由 NIST 與馬里蘭大學(xué)合作建立，主要負(fù)責(zé)推進(jìn)量子計(jì)算機(jī)科學(xué)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(xué)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(xué)、凝聚態(tài)物質(zhì)理論和量子信息技術(shù)的融合研究提供基礎(chǔ)；④ 量子經(jīng)濟(jì)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(lǐng)導(dǎo)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(shù)旗艦計(jì)劃”（Quantum Flagship）下對(duì)量子技術(shù)的整體研發(fā)與商業(yè)化制定了切實(shí)的目標(biāo)。2018 年“量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”正式啟動(dòng) 4 項(xiàng)量子傳感與測(cè)量項(xiàng)目，包括金剛石動(dòng)態(tài)量子多維成像（MetaboliQs）、集成量子鐘（iqClock）、微型原子氣室量子測(cè)量（MACQSIMAL）和金剛石色心量子測(cè)量（ASTERIQS），經(jīng)費(fèi)共計(jì) 3 671.5 萬歐元。2020 年歐盟《戰(zhàn)略研究議程》（SRA）報(bào)告為量子傳感與測(cè)量設(shè)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(duì)手的量子傳感器、成像系統(tǒng)與量子標(biāo)準(zhǔn)，并在實(shí)驗(yàn)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(jì)量標(biāo)準(zhǔn)原型，并將首批商業(yè)化產(chǎn)品推向市場(chǎng)，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室中演示用于傳感的糾纏增強(qiáng)技術(shù)；③ 10 年內(nèi)——從原型機(jī)過渡至商業(yè)設(shè)備。

1.3 中國：依托重點(diǎn)項(xiàng)目，主攻關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

2016 年中國在《國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》中將量子信息技術(shù)作為國家重點(diǎn)培養(yǎng)的顛覆性技術(shù)之一；之后，在 2020 年《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和 2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中提出要瞄準(zhǔn)量子信息，實(shí)施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項(xiàng)目；2021 年 12 月，《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》提出，到 2035 年，建成以量子計(jì)量為核心、科技水平一流、符合時(shí)代發(fā)展需求和國際化發(fā)展潮流的國家現(xiàn)代先進(jìn)測(cè)量體系。

自 2016 年起，中國布局了多個(gè)量子傳感與測(cè)量領(lǐng)域的重點(diǎn)項(xiàng)目，如“量子調(diào)控與量子信息”“地球觀測(cè)與導(dǎo)航”和“智能傳感器”等；同時(shí)，針對(duì)芯片原子鐘技術(shù)、空間量子成像技術(shù)和高精度原子磁強(qiáng)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)。2022 年 1 月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)取得量子測(cè)量重要進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了海森堡極限精度的量子精密測(cè)量。

1.4 澳大利亞：進(jìn)行針對(duì)性研發(fā)

澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）在2020 年制定了量子技術(shù)路線圖——《增長的澳大利亞量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)：爭取 40 億澳元的產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇》，以求在全球量子競(jìng)爭中保持優(yōu)勢(shì)，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(cè)量領(lǐng)域，CSIRO 布局了 5 個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向：① 基于量子增強(qiáng)技術(shù)的軍用及民用精確導(dǎo)航；② 用于地下環(huán)境傳感的量子重力測(cè)量；③ 用于重力波觀測(cè)的增強(qiáng)量子傳感器；④ 發(fā)現(xiàn)新礦床的量子磁強(qiáng)計(jì)傳感器；⑤ 國防量子技術(shù)。

1.5 日本：聚焦應(yīng)用市場(chǎng)

在“量子飛躍旗艦計(jì)劃”（Q-LEAP）的整體部署下，日本聚焦未來傳感器市場(chǎng)小型化、低成本的需求，研發(fā)固態(tài)量子傳感器等先進(jìn)的量子傳感器技術(shù)。2021 年公布的 Q-LEAP 項(xiàng)目資助情況顯示，在量子傳感與測(cè)量領(lǐng)域主要開發(fā)用于生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的量子傳感設(shè)備，具體包括：① 具有高靈敏度和高空間分辨率的腦磁圖測(cè)量原型系統(tǒng)；② 基于電能的電流和溫度監(jiān)測(cè)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(xué)和生命科學(xué)研究的測(cè)量技術(shù)原型。

2 量子傳感與測(cè)量領(lǐng)域研究熱點(diǎn)

目前，國際量子傳感與測(cè)量應(yīng)用研究主要聚焦五大領(lǐng)域：量子磁場(chǎng)測(cè)量、量子成像、量子時(shí)間測(cè)量、量子重力測(cè)量和量子慣性測(cè)量。

2.1 量子磁場(chǎng)測(cè)量

量子磁場(chǎng)測(cè)量是現(xiàn)代精密測(cè)量科學(xué)中一個(gè)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(jì)等。其中，SERF 原子磁力儀是未來超高精度磁場(chǎng)測(cè)量的發(fā)展方向；而 CPT 磁力計(jì)兼具測(cè)量精度和小型化優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)開始進(jìn)入芯片級(jí)傳感器的研究。

2020 年 5 月，復(fù)旦大學(xué)物理系實(shí)現(xiàn)了突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的高靈敏度原子磁力計(jì)，在精密測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用道路上邁出了重要一步。同年 6 月，歐洲核子研究中心對(duì)一種新型石墨烯霍爾傳感器進(jìn)行了測(cè)試，希望借助它在較寬的溫度范圍內(nèi)構(gòu)建新的磁場(chǎng)測(cè)繪系統(tǒng)。同年 7 月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰、王亞研究團(tuán)隊(duì)在金剛石量子模擬實(shí)驗(yàn)研究方面取得新進(jìn)展，有望推進(jìn)金剛石單自旋體系在量子精密測(cè)量領(lǐng)域產(chǎn)生更廣泛的應(yīng)用；同時(shí)，郭光燦研究團(tuán)隊(duì)利用糾纏探針態(tài)，提出了多參數(shù)量子磁強(qiáng)計(jì)的最終精度極限。同年 8 月，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)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(chǎng)測(cè)量技術(shù)在水下監(jiān)測(cè)、采礦等領(lǐng)域的應(yīng)用打開了大門。2021 年 10 月，丹麥奧胡斯大學(xué)利用光泵磁力儀（OPM）對(duì)視網(wǎng)膜進(jìn)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(xué)院利用金剛石氮空位（NV）色心設(shè)計(jì)出一種基于量子磁場(chǎng)測(cè)量的傳感器，其有望更快、更準(zhǔn)確地檢測(cè)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(shù)。相較傳統(tǒng)的成像技術(shù)，利用量子成像技術(shù)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(cè)等領(lǐng)域揮發(fā)作用。目前，致力于量子成像研究的機(jī)構(gòu)和團(tuán)隊(duì)很多，各類成果集中凸顯。

2020 年 1 月，美國加州大學(xué)伯克利分校和愛荷華州立大學(xué)利用納米量子傳感器在高壓下進(jìn)行應(yīng)力和磁力成像。同年 3 月，德國凱澤斯勞滕工業(yè)大學(xué)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(lǐng)域的第一個(gè)里程碑。同年 5 月，意大利帕維亞大學(xué)和中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院共同提出了一種使用糾纏光子作為雷達(dá)探測(cè)器的方法，該方法可以更精準(zhǔn)地進(jìn)行位置測(cè)量。2021 年 6 月，NSF 宣布支持 2 個(gè)有關(guān)量子成像的研究項(xiàng)目——“納米級(jí)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(diǎn)圖像傳感器”。同年 7 月，俄羅斯聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出首個(gè)適用于腦磁圖的室溫固態(tài)量子傳感器，有望使監(jiān)測(cè)腦電活動(dòng)的成本大幅下降。同年 11 月，德國漢堡大學(xué)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(cè)量原子數(shù)量、原子之間的關(guān)聯(lián)，以及它們形成的圖樣。

2.3 量子時(shí)間測(cè)量

當(dāng)前，基于衛(wèi)星的時(shí)間同步技術(shù)被廣泛應(yīng)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(shí)間測(cè)量有望成為一種更好的替換技術(shù)。其中，光學(xué)時(shí)鐘、原子鐘是前沿研究的熱點(diǎn)。量子時(shí)間測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)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(shù)研究院實(shí)現(xiàn)了對(duì)高電荷態(tài)離子的精確光學(xué)測(cè)量，可用于精密光譜學(xué)及具有特殊性能的未來時(shí)鐘。同年 8 月，由英國蘭卡斯特大學(xué)、英國倫敦皇家霍洛威大學(xué)倫敦分校、美國耶魯大學(xué)和芬蘭阿爾托大學(xué)組成的國際研究團(tuán)隊(duì)首次觀察到了“時(shí)間晶體”的相互作用，其有望改善當(dāng)前的原子鐘技術(shù)，提高陀螺儀性能。

2.4 量子重力測(cè)量

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

2020 年 7 月，英國倫敦大學(xué)、荷蘭格羅寧根大學(xué)和英國華威大學(xué)的研究人員聯(lián)合提出了一種中頻引力波量子探測(cè)器，該探測(cè)器的體積僅為目前使用探測(cè)器體積的 1/4000。同年 8 月，英國伯明翰大學(xué)和 Nemein 有限公司的研究人員開發(fā)出了基于原子干涉測(cè)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(lǐng)域。

2.5 量子慣性測(cè)量

量子慣性測(cè)量是未來解決定向、導(dǎo)航和運(yùn)動(dòng)載體控制的重要技術(shù)。其中，核磁共振陀螺發(fā)展最為成熟，已經(jīng)進(jìn)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(yàn)證和技術(shù)試驗(yàn)階段，距離實(shí)用化較遠(yuǎn)。

2020 年 1 月，澳大利亞研究人員通過實(shí)驗(yàn)證明旋轉(zhuǎn)量子物體會(huì)影響它的自旋，并且可檢測(cè)到這種影響，這一發(fā)現(xiàn)可推動(dòng)納米級(jí)旋轉(zhuǎn)傳感的發(fā)展。同年 9 月，美國亞利桑那大學(xué)開展了“用于糾纏增強(qiáng)力和慣性傳感的量子互連光力學(xué)傳感器”項(xiàng)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(xué)在 NSF 的支持下，開展了“量子傳感器”項(xiàng)目，目的是利用量子態(tài)的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)建超高靈敏度的陀螺儀、加速度計(jì)和其他傳感器。

3 啟示與建議

（1）重視量子傳感與測(cè)量領(lǐng)域發(fā)展，建立國防技術(shù)屏障。相較于量子計(jì)算和量子通信，我國在量子傳感與測(cè)量領(lǐng)域的投入較少。但在軍事、醫(yī)療等依賴高精度傳感和測(cè)量的領(lǐng)域，量子傳感與測(cè)量技術(shù)有著十分關(guān)鍵的作用；特別是在國防軍事領(lǐng)域，量子雷達(dá)技術(shù)將顛覆隱身技術(shù)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(guān)研究，我國應(yīng)長期支持量子傳感與測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用轉(zhuǎn)化，以應(yīng)對(duì)未來可能的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）分層次布局研發(fā)重點(diǎn)，力求在空白領(lǐng)域掌握主動(dòng)權(quán)。量子傳感與測(cè)量領(lǐng)域涉及學(xué)科面廣，研發(fā)橫向跨度大，有些研發(fā)方案基于已有技術(shù)平滑演進(jìn)，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(cè)量技術(shù)的發(fā)展程度和應(yīng)用前景存在一定差異。我國應(yīng)分層次布局研發(fā)重點(diǎn)，在原子鐘、核磁共振陀螺和單光子探測(cè)與干涉測(cè)量等方向上選取已有基礎(chǔ)的方案進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化，爭取提前進(jìn)行市場(chǎng)布局；在量子糾纏測(cè)量、量子關(guān)聯(lián)成像和超流體干涉測(cè)量等新興方向上進(jìn)行重大科研項(xiàng)目布局，力求在空白領(lǐng)域掌握主動(dòng)權(quán)。

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

致謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王亞、電子科技大學(xué)鄧光偉對(duì)本文提出了寶貴意見與建議，在此謹(jǐn)致謝忱！