量子傳感：“鼎新帶動革故”

趙廣立

“遇事不決，量子力學(xué)?！边@句謔語的背后，隱喻著量子力學(xué)這一前沿科技在公眾面前的深奧與神秘。然而，盡管看似遙不可及，量子科技——尤其是量子信息產(chǎn)業(yè)化的步伐已然開啟，并逐漸形成了量子精密測量（量子傳感）、量子保密通信、量子計算三大賽道，其間也難免滋生出一些“魚目混珠”的亂象。

為還原量子科技產(chǎn)業(yè)化真相，《中國科學(xué)報》通過走訪科學(xué)家、創(chuàng)業(yè)者和投資方，推出系列報道，深入探究上述三大賽道的技術(shù)現(xiàn)狀、產(chǎn)業(yè)前景等。

2016年12月底創(chuàng)立，5年時間融資5輪，最近一輪（C輪）融資數(shù)億元人民幣，估值達70億元，這家公司就是國儀量子——孵化自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子精密測量儀器產(chǎn)業(yè)初創(chuàng)公司。

訊飛創(chuàng)投投資總監(jiān)孫嘯天憶起對國儀量子的投資，至今猶記當(dāng)年的興奮。2018年3月，該投資團隊到國儀量子溝通參與A輪融資，4月底就完成了投資決策：作為A輪領(lǐng)投方，訊飛創(chuàng)投給這個當(dāng)時創(chuàng)立僅1年多的團隊投出4000萬元。

這些數(shù)字的背后，是量子精密測量技術(shù)落地應(yīng)用所帶來的無限魅力。

“說它是‘備胎’，是因為其各方面性能與磷酸鐵鋰非常接近，除非后者的供應(yīng)鏈遇到困難，從經(jīng)濟或性能上有必要啟用鈉離子電池。”王朝陽說。

中國科學(xué)院院士歐陽明高也曾明確表示“鋰電池還會用很久”。目前鈉離子電池各方面性能還不能滿足高性能汽車使用要求，預(yù)計到2035年鈉、鉀離子電池性能大幅提升、比能量達到300瓦時/千克左右時，才會大規(guī)模進入市場。

面對被稱為“備胎”的鈉離子電池，中國還能抓住哪些機會？

賀羽，年輕的“90后”創(chuàng)業(yè)者，曾就讀于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班。2016年從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士團隊出來創(chuàng)辦國儀量子時，已經(jīng)是他第三次投身創(chuàng)業(yè)，“該掉的坑都掉過了，在國儀量子倒不覺得有什么不順”。

“量子傳感器是人類能研制的最‘小’的傳感器?！辟R羽向《中國科學(xué)報》介紹，“最小意味著它能測量一些我們用現(xiàn)代儀器測不到的信號，比如微弱的磁場、神經(jīng)元放電、血液中的分子標(biāo)識物等等，它是打開微觀世界的一把鑰匙?！?/p>

物質(zhì)的電磁場、溫度、壓力等與量子體系發(fā)生相互作用后會改變其量子狀態(tài)，而通過對這些變化后的量子態(tài)的檢測，就能實現(xiàn)對物質(zhì)環(huán)境參數(shù)的高靈敏度測量。量子精密測量就是基于量子力學(xué)基本特性——如量子相干、量子糾纏、量子統(tǒng)計等，實現(xiàn)對物理量測量的一項技術(shù)。如今量子態(tài)操控技術(shù)已趨成熟，量子精密測量的精度也大幅提高。

簡單的理解就是，由電子、光子、聲子等構(gòu)筑的量子體系就像是一把高靈敏度的尺子，借助它就可以實現(xiàn)對諸如壓力、溫度、磁場乃至?xí)r間等各物理量更精密的測量，因此又稱“量子傳感”。

不僅如此，量子糾纏還可以進一步提高測量靈敏度。

假設(shè)讓N個“量子尺子”的量子態(tài)處于一種糾纏態(tài)上，外界環(huán)境對這N把量子尺的作用就會相干疊加，那么最終的測量精度相對單量子尺將提高N倍。這樣的精度突破了經(jīng)典力學(xué)的散粒噪聲極限，并提高了倍數(shù)，是量子力學(xué)理論范疇內(nèi)所能達到的最高精度——海森堡極限。

盡管訂單數(shù)量節(jié)節(jié)攀升，但賀羽也坦承，國儀量子所撬開的量子傳感儀器市場還只是冰山一角。

“一方面，量子精密測量技術(shù)相對傳統(tǒng)測量儀器是降維打擊，存量市場潛力很大;另一方面，量子測量還有許多待發(fā)掘的市場應(yīng)用場景，新需求會不斷誕生。”賀羽說，他們現(xiàn)在每年要拿出營收費用的40%左右用于研發(fā)投入，除技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)外，還開展場景創(chuàng)新研發(fā)，一些新應(yīng)用場景的儀器也在做預(yù)研或規(guī)劃。

國儀量子并非量子精密測量技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的獨行者。放眼全球，瑞士量子傳感解決方案開發(fā)商Qnami就是一家與國儀量子旗鼓相當(dāng)?shù)母偁帉κ?。后者專注于量子顯微鏡系統(tǒng)市場，并已有多款產(chǎn)品在材料研究領(lǐng)域推出。

此外，一些傳統(tǒng)儀器儀表巨頭也在相關(guān)細分領(lǐng)域開始采用量子精密測量技術(shù)，并開展相應(yīng)產(chǎn)品的研制或指定產(chǎn)品的研發(fā)計劃。

如美國傳統(tǒng)制造商洛克希德·馬丁公司就有專門的研究小組，探索研制和使用量子傳感器解決全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的信號干擾問題;德國工業(yè)巨頭博世集團目前正著手探索量子精密測量技術(shù)在汽車傳感上的應(yīng)用——2月18日，博世集團剛剛通過其官方發(fā)布渠道宣布成立全新初創(chuàng)團隊，旨在將量子傳感器商品化。

環(huán)顧國內(nèi)，類似國儀量子這樣的初創(chuàng)企業(yè)并不多，但我國已有或已開展量子精密測量技術(shù)開發(fā)的研究團隊也不在少數(shù)。

比如，2021年3月，位于浙江的之江實驗室就曾宣布，其于2019年7月正式立項的量子精密測量大科學(xué)裝置完成了“里程碑節(jié)點成果驗收”。公開信息顯示，該裝置基于光動量效應(yīng)，探索集中在高精度力學(xué)量的量子傳感技術(shù)方向，上述成果的取得“為力學(xué)量量子傳感技術(shù)發(fā)展奠定了扎實的基礎(chǔ)”。

再如，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授盧征天團隊，曾提出原子阱痕量分析方法、自主研發(fā)基于激光冷原子阱技術(shù)痕量同位素分析實驗裝置，并將其創(chuàng)造性地應(yīng)用于環(huán)境樣品中稀有同位素的探測，進而用于為古地下水與冰川定年。

“我們只是眾多量子精密測量技術(shù)應(yīng)用中的一個例子，它的空間是很廣闊的，技術(shù)應(yīng)用也日新月異?！北R征天在接受《中國科學(xué)報》采訪時說，量子精密測量常應(yīng)用于時間、質(zhì)量、溫度等物理量的測量，原子鐘就是一個“明亮的例子”，借助量子技術(shù)，原子鐘的計時準(zhǔn)確度達到了理論最高水平。

盧征天提到的這一技術(shù)在市場上亦有應(yīng)用落地。記者查詢公開信息獲悉，我國原子鐘、時間同步設(shè)備和系統(tǒng)主要供應(yīng)商“天奧電子”就主營時間頻率產(chǎn)品等的研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)銷售，其營收中有近57%來自頻率系列產(chǎn)品、42%來自時間同步系列產(chǎn)品。值得一提的是，作為“量子科技概念股”，天奧電子自2018年9月3日在A股上市以來，股票漲幅達274%。

量子精密測量的政策“東風(fēng)”，也吹得正勁。

1月28日，國務(wù)院發(fā)布《計量發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》（下文稱《規(guī)劃》），提出在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。

《規(guī)劃》重點介紹了對于計量基礎(chǔ)研究、計量應(yīng)用、計量能力建設(shè)與計量監(jiān)督管理的整體要求。在專欄2“計量基礎(chǔ)理論與核心技術(shù)研究”中，《規(guī)劃》提出，要“重點開展量子精密測量和傳感器件制備集成技術(shù)、量子傳感測量技術(shù)研究”。

從《規(guī)劃》的措辭和篇幅設(shè)置中可以看出，量子精密測量技術(shù)和高端儀器國產(chǎn)化在其中扮演著重要角色。

作為以量子精密測量為核心技術(shù)、高端科學(xué)儀器為主營產(chǎn)品的高新技術(shù)企業(yè)，國儀量子表態(tài)要抓住國家戰(zhàn)略機遇，“將面向世界科技前沿和國家重大需求，加大關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)力度，為提高國家科技創(chuàng)新能力、促進經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展貢獻力量”

基于量子精密測量技術(shù)研制的儀器，相比一些傳統(tǒng)科學(xué)儀器是“降維打擊”，因為科學(xué)儀器天然追求更高靈敏度和更高精度。這在賀羽看來，給了國產(chǎn)科學(xué)儀器研制“換道超車”的機會。

高端科學(xué)儀器是科學(xué)研究、工程探測、醫(yī)療診斷等不可或缺的重要工具，但由于精密儀器技術(shù)要求高、制造難度大，全球范圍內(nèi)只有來自發(fā)達國家的儀器巨頭如賽默飛世爾、島津、羅氏診斷、布魯克等具有完善的供貨能力，處于壟斷地位。

而高端儀器長期以來依賴進口，讓包括中國在內(nèi)的許多國家不得不付出高價的同時還要仰人鼻息，可謂“天下苦壟斷廠商久矣”。

量子精密測量技術(shù)在科學(xué)儀器方面的落地應(yīng)用，正在改變這一尷尬現(xiàn)狀?！拔覀冄兄频牟簧賰x器一經(jīng)推出就是‘世界首臺’，不僅樹立了國儀量子的品牌，也奠定了國產(chǎn)高端儀器打破國外科學(xué)儀器巨頭壟斷的基礎(chǔ)?！辟R羽說。

賀羽形容量子精密測量儀器是一個“鼎新帶動革故”的創(chuàng)業(yè)賽道。他介紹，基于量子精密測量技術(shù)，國儀量子瞄準(zhǔn)高端儀器市場缺口，錨定人有我優(yōu)、人無我有的“為國造儀”理念，展現(xiàn)了新技術(shù)的競爭力。

2018年10月，國儀量子發(fā)布的國內(nèi)首臺脈沖式電子順磁共振波譜儀，自主創(chuàng)新多項核心技術(shù)，填補國內(nèi)空白，突破國際禁運，并在關(guān)鍵性能指標(biāo)上實現(xiàn)超越;2019年11月，國儀量子發(fā)布世界首臺量子鉆石原子力顯微鏡，能“看到”納米級的微小結(jié)構(gòu)，在量子科學(xué)、化學(xué)與材料科學(xué)及生物和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。

目前，國儀量子已經(jīng)具備多款量子傳感器從研發(fā)到生產(chǎn)的核心能力，一些儀器設(shè)備甚至開始銷往美國、澳大利亞等發(fā)達國家，銷售額逐年翻番。賀羽透露，2021年國儀量子訂單總金額輕松跨過2億元關(guān)口，2022年有望突破4億元。