量子測量技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用趨勢分析*

張萌 賴俊森

(中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100191)

0 引言

量子信息技術(shù)具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價值，引發(fā)產(chǎn)學(xué)研界廣泛的關(guān)注。量子計算和量子通信領(lǐng)域都面臨著一個亟待解決的問題——量子態(tài)的退相干效應(yīng)。退相干是量子位與環(huán)境相互作用，會使得量子計算和通信中的疊加態(tài)或者糾纏態(tài)不受控制地發(fā)生改變，從而引起信息的錯誤或丟失。退相干現(xiàn)象與多種環(huán)境因素有關(guān)：比如環(huán)境電磁場、溫度的變化或者量子位之間的串?dāng)_。如果將這一“缺點(diǎn)”加以利用，通過量子態(tài)的變化直接或者間接地將環(huán)境物理量的大小讀取出來，就實(shí)現(xiàn)了量子測量。值得注意的是，退相干效應(yīng)在量子測量領(lǐng)域依然是一個問題，它可能導(dǎo)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(jìn)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(jié)果會得到一張模糊的相片[1]。因此，為了實(shí)現(xiàn)高精度的量子測量，一方面需要盡可能保證量子態(tài)可控且可讀??；另一方面需要研究量子態(tài)退相干機(jī)制，根據(jù)待測物理量的特性，選取適合的量子體系和性質(zhì)進(jìn)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(shù)[2]。目前，對于量子測量沒有明確的公認(rèn)的定義描述。筆者認(rèn)為量子測量具備“二三四五”的特點(diǎn)：兩個基本特征、三種主要類型、四個基本步驟和五大主要應(yīng)用領(lǐng)域。兩個基本特征是指測量系統(tǒng)中操作的對象是微觀粒子(如光子、原子、離子等)，并且系統(tǒng)在待測物理場中演化導(dǎo)致量子態(tài)的改變實(shí)現(xiàn)精密測量。量子測量按照技術(shù)原理可以分為基于分立能級結(jié)構(gòu)、基于量子相干疊加和基于量子糾纏/壓縮態(tài)三種主要類型。三大類型也是量子測量技術(shù)的三個演進(jìn)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(jīng)典物理極限。代價是系統(tǒng)復(fù)雜度和成本提升、體積增大。量子測量的實(shí)施過程可以歸納為量子態(tài)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(tài)的讀取和結(jié)果處理轉(zhuǎn)化四個基本步驟。目前，量子測量主要應(yīng)用在時頻同步、磁場測量、定位導(dǎo)航、重力測量和目標(biāo)識別/成像等領(lǐng)域。

圖1為量子測量技術(shù)的系統(tǒng)框架。最底層以量子力學(xué)為理論基礎(chǔ)，運(yùn)用相干疊加、量子糾纏等技術(shù)上手段對原子、離子、光子等微觀粒子的量子態(tài)進(jìn)行制備、操控、測量和讀取，配合數(shù)據(jù)的處理與轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)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(jīng)典物理的理論極限。通過應(yīng)用層的軟件將結(jié)果呈現(xiàn)給行業(yè)用戶。在理論與技術(shù)基礎(chǔ)層面，基礎(chǔ)物理理論基本完備，但是部分原理技術(shù)仍有待突破，如量子糾纏態(tài)高效確定性的產(chǎn)生方法、遠(yuǎn)距離分發(fā)技術(shù)等。在硬件與系統(tǒng)工程化層面，一些高校和研究院所的原理樣機(jī)基本成熟，并不斷探索和刷新性能指標(biāo)；部分成熟領(lǐng)域處于工程化階段，建立初創(chuàng)公司，推出商用產(chǎn)品。在軟件開發(fā)層面，借助機(jī)器學(xué)習(xí)和量子計算開發(fā)數(shù)據(jù)處理軟件算法，可以高效地提取有效數(shù)據(jù)，從而降低系統(tǒng)對環(huán)境因素的嚴(yán)苛要求或提升數(shù)據(jù)采集實(shí)時性；控制軟件和應(yīng)用軟件目前不是研究熱點(diǎn)，但又是未來商用化必須解決的問題。在行業(yè)應(yīng)用層面，跨學(xué)科/跨領(lǐng)域應(yīng)用場景探索是目前的研究熱點(diǎn)。

圖1 量子測量技術(shù)體系框架

量子測量技術(shù)具有超高的測量精度和超越經(jīng)典極限的能力，但這并不代表量子測量技術(shù)短期內(nèi)會取代經(jīng)典測量。從目前來看，量子測量和經(jīng)典測量應(yīng)用領(lǐng)域和場景有所不同，量子測量技術(shù)測量精度高，適用于基礎(chǔ)科研、軍事國防等高精尖的領(lǐng)域，但是量子傳感器往往體積大、成本高、魯棒性差、需要專業(yè)人員調(diào)試和操控，還不適合大規(guī)模商業(yè)推廣；而傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器，特別是MEMS傳感器，技術(shù)成熟、體積小、集成度高、成本低，更適用于民用場景，比如車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。未來一段時間內(nèi)，量子測量技術(shù)作為傳統(tǒng)測量技術(shù)的一種增強(qiáng)和補(bǔ)充，短期內(nèi)并不存在取代的關(guān)系。

1 國內(nèi)外科研投入布局及研究現(xiàn)狀

量子測量涵蓋電磁場、加速度、角速度、重力應(yīng)力、時間頻率等物理量，未來將在基礎(chǔ)理論研究、航空航天、生物醫(yī)藥、慣性制導(dǎo)、能源勘探等諸多領(lǐng)域應(yīng)用，特別是很多技術(shù)涉及事國防領(lǐng)域，因此受到各國政府的關(guān)注，競相布局，加大研究開發(fā)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(lǐng)下一次量子革命”計劃，著眼于實(shí)現(xiàn)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(shè)立小企業(yè)創(chuàng)新研究(Small Business Innovation Research，SBIR)和小企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)讓(Small Business Technology Transfer，SBTT)項(xiàng)目，支持包括量子傳感與計量在內(nèi)的十余個技術(shù)領(lǐng)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(yè)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(lǐng)域的研究，開發(fā)小型化、芯片化的定位導(dǎo)航授時系統(tǒng)，重點(diǎn)研究和發(fā)展無源定位導(dǎo)航技術(shù)，確保軍隊(duì)能夠在全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)拒止條件下保持高精度的定位導(dǎo)航授時能力。美國國防部啟動的“增強(qiáng)原子鐘穩(wěn)定性”(ACES)項(xiàng)目旨在開發(fā)下一代芯片級原子鐘，并將性能提高1000 倍。

歐洲量子技術(shù)旗艦計劃成立于2018年，目的是將研究機(jī)構(gòu)、行業(yè)和公共資助者聚集在一起，促進(jìn)歐洲量子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使量子研究成果成為商業(yè)應(yīng)用和顛覆性技術(shù)。2020年2月，歐盟發(fā)布的量子旗艦計劃戰(zhàn)略研究進(jìn)展報告中指出，量子傳感與測量技術(shù)主要聚焦于壓力、溫度、重力、磁場測量，以及時鐘同步、定位導(dǎo)航、超高分辨成像等領(lǐng)域，并在將醫(yī)學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)、地球物理、氣候科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生重大的影響。歐洲量子旗艦計劃啟動了20個研究項(xiàng)目，其中有4個項(xiàng)目直接與量子測量相關(guān)，分別是macQsimal(用于傳感和計量應(yīng)用的微型原子蒸氣池量子器件開發(fā))、MetaboliQs(利用室溫金剛石量子動力學(xué)實(shí)現(xiàn)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(shù))。

英國量子技術(shù)戰(zhàn)略委員會啟動國家量子技術(shù)計劃，投資1.2 億英鎊建立4個量子技術(shù)中心。其中，英國國家量子技術(shù)中心將聚焦量子傳感器和測量技術(shù)，應(yīng)用于國防、地球物理學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、建筑、海軍導(dǎo)航、數(shù)據(jù)存儲主機(jī)、健康監(jiān)測、游戲接口、GPS替換、數(shù)據(jù)存儲產(chǎn)品、本地網(wǎng)絡(luò)定時和重力成像等領(lǐng)域，量子成像中心將聚焦新型超高靈敏度相機(jī)，包括單光子可見光和紅外攝像機(jī)、單像素攝像機(jī)、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(shù)領(lǐng)域。并計劃在5年內(nèi)為4個中心投資9400 萬英鎊，刷新了量子技術(shù)中心，以保持英國通過英國國家量子技術(shù)計劃在量子技術(shù)方面建立的技術(shù)研究領(lǐng)導(dǎo)地位。

德國實(shí)施的“量子技術(shù)——從基礎(chǔ)到市場”計劃，在2018—2022年間為量子技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化撥款6.5 億歐元，重點(diǎn)研究包括用于高性能高安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的測量技術(shù)在內(nèi)的諸多技術(shù)領(lǐng)域，為量子技術(shù)的發(fā)展打下牢固的學(xué)術(shù)和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。

日本文部省發(fā)布量子飛躍旗艦計劃(Q-LEAP)，資助光量子領(lǐng)域的科學(xué)研究，重點(diǎn)支持包括量子測量和傳感器在內(nèi)的3個技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)，每個技術(shù)領(lǐng)域設(shè)立1個基礎(chǔ)研究項(xiàng)目和2個旗艦項(xiàng)目?；A(chǔ)研究項(xiàng)目每年資助2000 萬～3000 萬日元，旗艦項(xiàng)目每年資助3 億～4 億日元。在量子測量和傳感器領(lǐng)域，設(shè)置了固體量子傳感器及量子光傳感器2項(xiàng)旗艦項(xiàng)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(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)，中國科學(xué)院薛其坤院士進(jìn)行講解，提出了意見和建議。習(xí)近平總書記發(fā)表重要講話，為當(dāng)前和今后一個時期我國量子科技發(fā)展做出重要戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局。十九屆五中全會審議通過的“十四五”規(guī)劃建議中也提到對量子信息等前沿領(lǐng)域?qū)嵤┮慌哂星罢靶浴?zhàn)略性的國家重大科技項(xiàng)目。2020年12月以來，各省市陸續(xù)出臺“十四五”規(guī)劃與建議，提出加快突破核心關(guān)鍵技術(shù)，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(chǎn)業(yè)創(chuàng)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(shí)驗(yàn)設(shè)施。

在各國項(xiàng)目資金的支持下，各大科研機(jī)構(gòu)加大在量子測量領(lǐng)域的科研投入，圖2為國內(nèi)外量子測量領(lǐng)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(dá)/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(wǎng)絡(luò)[13-15]、量子壓縮[16]及其在引力波探測領(lǐng)域應(yīng)用[17-18]等諸多領(lǐng)域取得突破進(jìn)展。

圖2 國內(nèi)外量子測量領(lǐng)域主要高校和科研院所

2 國內(nèi)外量子測量應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)分析

從不同技術(shù)路線對比來看，基于量子糾纏的測量技術(shù)在學(xué)術(shù)研究方面?zhèn)涫荜P(guān)注，原因在于其測量精度最高，理論分析證明可以突破經(jīng)典物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)量子極限(Standard Quantum Limit，SQL)，已經(jīng)在量子雷達(dá)、糾纏時鐘網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域開展應(yīng)用探索，但技術(shù)成熟度也最低，目前還處于理論驗(yàn)證或原理樣機(jī)開發(fā)階段，商業(yè)應(yīng)用前景尚不明朗?；诶湓痈缮婧蜔o自旋交換弛豫原子自旋(Spin Exchange Relaxation Free，SERF)的量子測量技術(shù)具有較高的理論測量精度，除進(jìn)一步提升系統(tǒng)測量進(jìn)度外，目前已開展相關(guān)領(lǐng)域小型化、芯片化和可移動化的研究，但是距離規(guī)模商用仍有一定距離?；诤舜殴舱?Nuclear Magnetic Resonance，NMR)的量子測量技術(shù)雖然精度不如冷原子及SERF，但是研究起步早，技術(shù)成熟，目前已有相對成熟的模塊化商品應(yīng)用，芯片化、低功耗、低成本是未來研究趨勢。量子增強(qiáng)測量技術(shù)采用量子技術(shù)對經(jīng)典信號的測量精度進(jìn)行提升，對現(xiàn)有系統(tǒng)改造最小，與傳統(tǒng)測量系統(tǒng)兼容性較強(qiáng)，特別是在雷達(dá)探測、目標(biāo)成像等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。

從國內(nèi)外對比來看，部分領(lǐng)域國內(nèi)成果與國際先進(jìn)水平還有1～2個數(shù)量級的差距，部分領(lǐng)域成果可以與國際并跑。總體來看，我國量子測量技術(shù)前沿研究屬于穩(wěn)步發(fā)展的階段。但是從公司參與程度、產(chǎn)業(yè)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(dǎo)、SERF、核磁共振等量子技術(shù)的重力儀、頻率參考(原子鐘)、磁力計、加速度計、陀螺儀等商業(yè)產(chǎn)品。此外，全球量子測量市場和產(chǎn)業(yè)的增長越來越多地受到合作伙伴的共同推動，系統(tǒng)設(shè)備商與設(shè)備供應(yīng)商、高等院校、研究機(jī)構(gòu)等建立合作伙伴關(guān)系，使市場參與者能夠利用彼此的技術(shù)專長共同促進(jìn)產(chǎn)品研發(fā)和推廣。我國量子測量應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化正在逐步發(fā)力。較為成熟的量子測量產(chǎn)品主要集中于量子時頻同步領(lǐng)域。中國電子科技集團(tuán)有限公司、中國航天科技集團(tuán)有限公司、中國航天科工集團(tuán)有限公司和中國船舶重工集團(tuán)有限公司下屬的一些研究機(jī)構(gòu)正逐步在各自優(yōu)勢領(lǐng)域開展量子測量方向研究，突破關(guān)鍵技術(shù)，完成原理樣機(jī)向工程化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，未來的5～10年將形成產(chǎn)業(yè)化能力基礎(chǔ)。高校和研究機(jī)構(gòu)對于科研成果的商業(yè)轉(zhuǎn)化支持力度也逐步增大。

圖3 國內(nèi)外量子測量產(chǎn)業(yè)化對比

總體來說，整個量子測量產(chǎn)業(yè)目前還處于初級階段，尚不具規(guī)模。主要原因包括：一方面量子測量領(lǐng)域的技術(shù)門檻比較高，需要一定的專業(yè)知識和技術(shù)積累，對人才的專業(yè)素養(yǎng)要求嚴(yán)格，目前大部分的量子測量企業(yè)都是從高?；蛘呖蒲性核趸模蛘呔哂熊姽け尘?；另一方面，除了量子雷達(dá)、量子磁力計具有明確的民用場景外，其他量子測量技術(shù)主要定位于非民用、非工業(yè)的應(yīng)用場景，面向軍隊(duì)或政府等特殊領(lǐng)域的封閉市場，不適于推廣商用。

3 量子測量領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化初步探索

量子測量領(lǐng)域目前僅在零星的領(lǐng)域開展標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)研和初步探索，標(biāo)準(zhǔn)化尚未全面開展。例如，ITU-T的面向網(wǎng)絡(luò)的量子信息技術(shù)焦點(diǎn)組(FG-QIT4N)和IETF的量子互聯(lián)網(wǎng)研究組對量子時頻同步在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用案例開展研究；國內(nèi)TC578(全國量子計算與測量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會)立項(xiàng)研究課題，開展量子慣性測量測試方法研究；中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(CCSA)量子通信與信息技術(shù)特設(shè)任務(wù)組(ST7)在量子信息處理工作組(WG2)立項(xiàng)研究課題，開展量子時間同步技術(shù)在通信網(wǎng)中的應(yīng)用研究。

量子測量領(lǐng)域開展標(biāo)準(zhǔn)化工作面臨一系列問題：量子測量分支領(lǐng)域多，技術(shù)方案差異大，標(biāo)準(zhǔn)化存在一定難度；很多領(lǐng)域術(shù)語定義以及綜合評價的指標(biāo)體系、測試方法尚未統(tǒng)一；由于該領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)規(guī)模相對較小，行業(yè)用戶、設(shè)備商參與度較低。因此，量子測量領(lǐng)域開展標(biāo)準(zhǔn)化工作需要注意以下幾點(diǎn)。

(1)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)需要整體布局，對量子傳感器的應(yīng)用場景、技術(shù)成熟度、商業(yè)前景進(jìn)行梳理分析，并且優(yōu)先完成對量子測量領(lǐng)域關(guān)鍵術(shù)語定義、總體技術(shù)要求、性能指標(biāo)科學(xué)評價體系、客觀統(tǒng)一測試方法等方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

(2)各分支領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作，需要專業(yè)技術(shù)背景較強(qiáng)的科研人員、產(chǎn)品開發(fā)人員和標(biāo)準(zhǔn)化專家共同核心參與完成。

(3)提升行業(yè)用戶、設(shè)備制造商等在標(biāo)準(zhǔn)制定中的參與度，面向重點(diǎn)領(lǐng)域成立標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)聯(lián)盟或焦點(diǎn)組，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用各方就原理探索、技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品研發(fā)、部署應(yīng)用等方面問題深度交流合作，協(xié)同推進(jìn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建與標(biāo)準(zhǔn)制定。

(4)國家標(biāo)準(zhǔn)制定中充分發(fā)揮商業(yè)企業(yè)、科研院所、行業(yè)組織等的推動作用，加快我國標(biāo)準(zhǔn)國際化進(jìn)程，有規(guī)劃地將我國優(yōu)勢領(lǐng)域的技術(shù)推向國際化標(biāo)準(zhǔn)組織，爭取更大話語權(quán)。

4 我國基礎(chǔ)領(lǐng)域問題及發(fā)展建議

我國量子測量大部分核心組件主要基于自主研發(fā)，但設(shè)計和研制樣機(jī)所需的部分元器件、高端儀表、基礎(chǔ)材料依然不能完全實(shí)現(xiàn)自主可控，大致可以分為幾個方面：國內(nèi)不具備商業(yè)化能力或者產(chǎn)品性能不能滿足需求，需要通過進(jìn)口途徑購買；國內(nèi)不具備生產(chǎn)能力，又涉及國防軍工等敏感領(lǐng)域，進(jìn)口困難；國內(nèi)具有研發(fā)潛力，但是市場規(guī)模用量非常小，僅靠市場很難推動相關(guān)的研發(fā)制造；需要結(jié)合工程應(yīng)用的需求定制化開發(fā)。

前兩類元器件缺乏自主研發(fā)能力，容易形成“卡脖子”風(fēng)險，需針對涉及重要領(lǐng)域瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全面梳理，加強(qiáng)研發(fā)攻關(guān)；第三類單依靠市場難以推動，需要政策及項(xiàng)目資金引導(dǎo)；第四類需要專用化特異性的研究和技改項(xiàng)目支持研究，也需要多個優(yōu)勢院所聯(lián)合攻關(guān)才能真正解決。對于基礎(chǔ)加工方面，應(yīng)繼續(xù)以科學(xué)態(tài)度弘揚(yáng)“大國工匠”精神，提升基礎(chǔ)加工制造工藝水平，特別是高精密加工和先進(jìn)基礎(chǔ)工藝領(lǐng)域。通過政策、項(xiàng)目、資金、市場多管齊下，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)量子測量系統(tǒng)中的基礎(chǔ)材料、核心器件、輔助器件以及測試高端儀表的自主研發(fā)。

當(dāng)前量子測量產(chǎn)業(yè)發(fā)展處在早期階段，產(chǎn)業(yè)資源集中在核心系統(tǒng)設(shè)計及整機(jī)的工程化開發(fā)中，在大規(guī)模應(yīng)用推廣到來之前量子測量的應(yīng)用對上游的牽引力還不足，導(dǎo)致上游有實(shí)力的元器件及工藝廠商在面向量子產(chǎn)業(yè)的研發(fā)投入不足，制約了產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展。因此，需要在項(xiàng)目布局方面向上游生態(tài)企業(yè)延展，是拓寬當(dāng)前量子測量產(chǎn)業(yè)邊界重要的推動點(diǎn)。

5 結(jié)束語

量子測量技術(shù)是量子科學(xué)理論和測量、傳感、計量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，政策和項(xiàng)目扶持力度逐步加大，科研領(lǐng)域保持活躍，性能指標(biāo)不斷提升，同時與生物醫(yī)藥、地質(zhì)探測等諸多領(lǐng)域相結(jié)合涌現(xiàn)出一系列應(yīng)用成果案例。我國具備良好的科研基礎(chǔ)，但是產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化方面還處于起步階段，仍需要產(chǎn)學(xué)研用多方合作交流，共同提升工程化和實(shí)用化水平，推動產(chǎn)業(yè)落地。面對技術(shù)瓶頸，應(yīng)發(fā)揮優(yōu)勢、聯(lián)合攻關(guān)，最終實(shí)現(xiàn)量子測量領(lǐng)域的自主可控。