2022量子精密测量产业发展报告.pdf

i2022全球量子精密测量产业发展报告GlobalGlobal QuantumQuantum MetrologyMetrology andand SensingSensing IndustryIndustry DevelopmentDevelopmenti量子精密测量是量子信息技术的三大分支之一，另两大分支为量子通信和量子计算。量子精密测量作为整体来看，其产业化进程较量子计算产业和量子通信产业发展最快，例如原子钟作为量子精密测量领域的产品，已非常成熟。由于量子精密测量包含多个细分领域，与量子计算和量子通信较为集中的领域相比，显得更为分散，因此，其关注度和知悉度较量子计算和量子通信低，未受到较高的集中关注。但是，量子精密测量技术对科技进步和社会发展具有重大意义，量子精密测量的各类产品惠及基础科学研究和生产生活的方方面面。在美国、中国、欧盟等国家和地区，量子精密测量已作为战略层面的发展政策，受到政府支持。同时，已有多家科技公司，推出适用于多个场景的量子精密测量产品，以及在全球多个实验室中，一些被证明有价值的原型机，这让量子精密测量领域值得受到更高的关注。ICV 联合光子盒全球发布2022 全球量子精密测量产业发展报告，对未来中短期量子精密测量领域发展进行多方面预测和展望。本报告主要以 2021 年 1 月至 2022 年 4 月为主要观察期，追踪各主要量子精密测量技术国家的动态发展。ICV 前沿科技咨询总监、高级副总裁：Jude GreenForewordii本报告由全球前沿科技咨询机构 ICV 与光子盒联合出品。同时，感谢AOSense、Bruker、CAS COLD ATOM（中科酷原）、CETC（中国电科）、CIQTEK（国仪量子）、Muquans、Oxford Instruments（牛津仪器）、Quantum CTek（国盾量子）、ZWDX（中微达信）等公司给予技术和素材方面的支持。2022 量子精密测量产业发展报告编写组2022 年 5 月 11 日鸣谢鸣谢（以下顺序按公司英文名称首字母排列，排名不分先后）Acknowledgementsiii第一章第一章.1 1量子精密测量概述及最新进展量子精密测量概述及最新进展.1 1一、量子精密测量的由来.2二、量子精密测量的物理实现方式.3三、量子精密测量的学术进展概况.4第二章第二章.7 7量子精密测量典型产品及应用量子精密测量典型产品及应用.7 7一、时间测量.8二、重力测量.10三、量子导航.11四、磁场测量.12五、量子探测成像.15六、总结与观点.16第三章第三章.1818主要科技国量子精密测量战略规划主要科技国量子精密测量战略规划.1818一、北美.19二、欧洲.21三、亚洲.24四、总结与观点.27第四章第四章.2929量子精密测量产业链量子精密测量产业链.2929一、量子精密测量产业生态概况.30二、产业链主要市场参与者概况.33三、量子精密测量典型企业简介.34第五章第五章.4545量子精密测量投融资及发展预测量子精密测量投融资及发展预测.4545一、投融资情况.46二、市场预测.50三、未来趋势及建议.53关于我们关于我们.5757iv表 1 主要的量子传感器技术体系.3表 2 量子精密测量近期学术进展.4表 3 美国涉及量子精密测量的主要报告.19表 4 美国主要量子精密测量研究机构.19表 5 加拿大主要量子精密测量研究项目.20表 6 加拿大主要量子精密测量研究机构.21表 7 德国主要量子精密测量研究项目.22表 8 法国主要量子精密测量研究项目.23表 9 中国主要量子精密测量研究机构.25表 10 日本 Q-LEAP 量子精密测量的旗舰项目.26表 11 日本 Q-LEAP 量子精密测量的基础研究.27表 12 成都天奥电子股份有限公司原子钟产品.42表 13 量子精密测量领域涉及的公司获得资金投入情况.46v图 1 量子精密测量重要发展节点.2图 2 量子精密测量过程示意图.3图 3 美国 DARPA 和 NIST 芯片级时钟部件展示.10图 4 M Squared 公司研发的冷原子量子加速度计.12图 5 Cerca Magnetics 公司研发的可穿戴 OPM.14图 6 一种用于生命科学领域的金刚石氮空位色心磁力计原型.15图 7 量子精密测量产业生态.30图 8 量子重力仪外观对比图.32图 9 量子精密测量主要市场参与者分布.34图 10 Geometrics 公司产品图.34图 11 芯片级原子钟示意图.35图 12 ColdQuanta 公司原子钟产品图.36图 13 Quspin 公司磁力计产品图.36图 14 Qnami 公司 ProteusQ 量子显微镜系统产品图.39图 15 JEOL 公司 ESR 和 SEM 示意图.40图 16 HAMAMATSU 公司产品示意图.40图 17 国仪量子公司产品图.41图 18 成都中微达信科技有限公司芯片级分子钟原型产品.43图 19 2017-2022 年全球量子精密测量公司融资轮次分布.48图 20 2017-2022 年不同国家量子精密测量行业融资情况.49图 21 2017-2022 年全球量子精密测量细分领域的融资分布情况.49图 22 全球量子精密测量市场规模预测（2019-2029E）.50图 23 全球量子精密测量市场份额预测（按产品技术领域划分）.51图 24 全球量子精密测量市场份额预测（按地理划分）.522022 量子精密测量产业发展报告1子精密测量是量子信息科技领域全球公认的三大发展方向之一。当前各类国家政策、报告等文献中因各国技术专长领域不同、语言不同等因素，导致出现多个不同的名称，本文将以“量子精密测量”指代这一技术和应用领域。例如，美国2022 年发布的将量子传感器付诸实践中，将这一领域称为“Quantum sensors and measurement devices（量子传感器和测量设备）”；英国 2020 年发布的NQTP 计划中，将这一领域称为“Quantum imaging,and quantum sensing and timing（量子成像、量子传感和计时）”；德国 2021 年发布的量子系统议程 2030中，将这一领域称为“Quantenmesstechnik und Sensorsysteme（量子测量技术和传感器系统）”。综合来说，这一领域是基于量子力学原理的新一代精密测量方式或仪器设备的统称。当前绝大多数精密测量是基于经典力学原理，仍有测不准、无法测等局限性。本章首先简要回顾量子精密测量的由来和发展，介绍量子精密测量基本过程，将量子精密测量的物理实现方式（即技术路线）进行简单整理，最后罗列了近一年多学术领域取得的重要成果。量2一、一、量子精密测量量子精密测量的的由来由来量子精密测量是对物理量的高精度、高灵敏度的测量方法和技术应用，目标是实现单量子水平的极限探测、精准操控和综合应用。精密测量是获取物理量信息的源头，随着量子光学、原子物理学等领域的发展，诺贝尔物理学奖成果的推动，以及国际计量单位 7 个基本物理量实现“量子化”，精密测量已经进入量子时代。图 1 量子精密测量重要发展节点1997 年原子激光冷却2001 年玻色-爱因斯坦凝聚态2005 年量子光学频率梳2012 年单量子设备操控2019 年7 个国际基本计量单位“量子化”与量子精密测量相关的诺贝尔物理学奖7 个基本物理量：时间单位秒（s）、长度单位米（m）、质量单位千克（kg）、热力学温度开尔文（K）、电流单位安培（A）、发光强度单位坎德拉（cd）和物质的量单位摩尔（mol）基本方法基本方法利用量子特性，电磁场、温度、压力等外界环境直接与电子、光子、声子等体系发生相互作用并改变它们的量子状态，对这些变化后的量子态进行检测量子特性量子特性能级跃迁、相干叠加、量子纠缠技术优势技术优势与经典力学测量技术相比，达到海森堡极限，达到精度高、效率高、准确性高、抵抗一些特定噪声的干扰等理论依据理论依据经典测量精度极限为散粒噪声极限，量子测量精度可高于散粒噪声极限，达到海森堡极限（正比于 1/N，N 为单次测量所使用的光子或原子等的数目，而经典极限仅正比与 1/N）测量工具测量工具原子、分子、离子、光子（单光子、纠缠光子对）常见指标常见指标灵敏度、动态范围、采样率、工作温度等待测量待测量磁场、电场、旋转、时间、力、温度、光子计数等量子精密测量技术要求拥有对量子态进行操控和测量的能力，利用量子态进行信息处理、传递和传感。测量过程中的几个重要环节是：通过控制信号将量子体系调控到特定的初始化状态，与待测物理量相互作用后会导致量子体系的量子2022 量子精密测量产业发展报告3态发生变化，直接或间接测量最终的量子态，再将测量结果处理转换成传统信号输出,获取测量值。图 2 量子精密测量过程示意图来源：量子传感的导航应用研究现状与展望，空军工程大学学报，2021 年 12 月二、二、量子量子精密测量精密测量的的物理实现方式物理实现方式量子精密测量的实用化产品是量子传感器。量子传感器可以产生关于电信号、磁异常和惯性导航的非常精确的信息。传感器背后的量子技术物理实现方式目前主要有以下五种。一种物理实现方式可以为不同的被测物理量提供技术支撑，例如，冷原子干涉可以用于测量磁场、惯性、时间。在实际应用中，可能需要不同的技术进行组合，达到最佳效用，例如，量子惯性导航由加速度计、陀螺仪、原子钟三种不同类型的传感器组成。表 1 主要的量子传感器技术体系量子系统量子系统原理原理待测量待测量应用举例应用举例冷原子干涉在极低温环境下的原子表现出类似波的行为，并对所有与其质量相互作用的力都很敏感磁场、惯性、时间在重力测量中，可以非常详细地绘制地球表面和地下的地图，分辨率为厘米级离子阱控制良好的离子阱形成具有量子化运动模式的晶体，任何干扰都可以通过这些模式之间的转换来测量电场、磁场、惯性、时间对于惯性导航，在一、二、三维阵列中捕获的冷原子的光学晶格技术可能提供亚厘米级的大小金刚石氮空位（NV）色心NV色心作为电子自旋量子比特与外部磁场耦合；使用Berry相位带负电荷的NV色心可以测量旋转电场、磁场、旋转、温度、压力在空间分辨率和灵敏度上具有优势；可在室温或更高温度下工作，成本低；允许同时测量磁力、加速度、速度、旋转或重力的三个待测量超导电路基于约瑟夫森效应的超导电路技术描述了两个超导体之间的量子隧穿电场、磁场需要低温环境；允许在宏观尺度上制造量子系统，并且可通过微波信号进行有效控制4效应原子蒸气自旋极化高密度原子蒸汽在外部磁场下经历状态转变，可通过光学方式测量磁场、旋转、时间可在室温部署；基于原子集合的原子蒸汽电池磁力计有可能优于SQUID磁力计并在室温下工作三、量子精密测量的学术进展概况三、量子精密测量的学术进展概况本节进展主要关注学术领域，观察期为 2021 年 1 月至 2022 年 4 月。总结来看，学术进展类型多样化，内容涉及精度提高、新技术探寻、技术应用验证等。收录的 20 条学术进展中，涉及时间（原子钟、光钟、时频）的有 4 条；涉及生物医疗（视网膜、脑磁图、新冠病毒检测、细胞荧光标记）的有 4 条；涉及金刚石氮空位色心的有 3 条，其中 1 条为医疗中的新冠病毒检测；其余进展涉及海森堡极限、新方法提高灵敏度、原子探测、量子气体成像、原子蒸汽、核磁共振、重力梯度仪、光腔等。表 2 量子精密测量近期学术进展时间时间国家国家研究主体研究主体主要进展主要进展2021.01中国中国科学技术大学、香港中文大学研究人员在实验中完全消除了量子比特演化过程中三个待测参数之间的精度制衡，同时实现三个参数达到海森堡极限精度的测量，测量精度比经典方法 提 高 了 13.27dB。该 研 究 发 表 在 ScienceAdvances。2021.03美国美国国家标准与技术研究院研究人员部署了一个三种原子钟组成的网络，将这些原子钟分别放置在科罗拉多州博尔德市多个点位，比较其在2017年11月至2018年6月间各自的频率比值，获得的测量精度范围可达到小数点后18位。这次报道的测量结果是频率比值不确定度首次小于小数点后17位。该研究发表在Nature。2021.04中国北京量子科学研究院研究人员通过在回音壁模式光学微腔体系中引入对向传输模式间的单向耦合，首次在实验上实现了光学模式的奇异面，并由此提高微扰传感的灵敏度。该方案利用反馈光纤波导和光隔离器，完成微球腔内顺时针传输模式到逆时针传输模式的单向非对称耦合，将系统制备于奇异面上，通过模式劈裂来探测微扰，适用于多种实验耦合情况，利用奇异面实现探测的高灵敏度。该研究发表在Laser&Photonics Reviews。2021.04中国中国科学技术大学研究人员实现长距离大损耗自由空间高精度时间频率传递实验，在大气噪声、链路损耗、传输延迟效应等多角度仿真了高轨卫星星地高精度时频传递，验证了基于中高轨卫星实现万秒E-18量级稳定度的星地时频传递的可行性，为未来空间光频标科2022 量子精密测量产业发展报告5学实验和洲际光钟频率传递和比对奠定了基础。该研究发表在Optics。2021.07中国中国科学技术大学研究人员运用全光激发实现了对极其稀有同位素氪-81的单原子探测，这一量子精密测量方法的突破将助力于地球与环境科学研究。该研究发表在Physical Review Letters。2021.08中国中国科学院微观磁共振重点实验室研究人员利用基于金刚石固态单自旋体系在室温大气环境下实现了突破标准量子极限的磁测量。该研究发表在Science Advances。2021.09中国中科院微观磁共振重点实验室研究人员提出并通过实验实现了一种以金刚石氮空位色心单自旋为量子传感器的电探测方法，并通过磁抑制的氮空位色心实现了金刚石近表面电噪声信息的提取，为金刚石量子传感器在电探测方向的应用提供新的途径。该研究发表在PhysicalReview Letters。2021.11多国中国科学技术大学、德国亥姆霍兹研究所研究人员利用气态氙和铷原子混合蒸气室，实现了新型核自旋磁传感器，用于暗物质的实验直接搜寻，实验结果比先前国际最好水平提升至少5个数量级，首次突破国际公认最强的宇宙天文学界限。该研究发表在Nature Physics。2021.11中国中国科学院微观磁共振重点实验室、华中科技大学研究人员在超辐射相变量子模拟的实验中，通过引入反压缩操作，借助于高精度的量子控制技术，首次成功地在核磁共振量子模拟器上实验实现了超越No-go定理的平衡态超辐射相变，推动了量子相变理论和量子模拟领域的发展，为量子精密测量提供 了 新 的 途 径。该 研 究 发 表 在 NatureCommunications。2021.11丹麦奥胡斯大学研究人员利用光泵磁力仪对视网膜进行诊断，有望取代纤维电极和隐形眼镜电极，提供舒适的非接触式 临 床 视 网 膜 扫 描 系 统。该 研 究 发 表 在NeuroImage。2021.12中国南京大学现代工程与应用科学学院、之江实验室研究人员利用量子系统具有时间对称性的双态矢量描述，对前、后选择的量子系统进行弱测量，将广义测量结果弱值与实现后选择过程的量子精密测量算符建立对应关系，通过提取不同可观测量的弱值实现对量子精密测量直接表征，该方法被称为直接量子探测器层析（DQDT）。该研究发表在Physical Review Letters。2021.07俄罗斯俄罗斯量子中心、斯科尔科沃科学技术研究所研究人员开发出基于钇铁石榴石薄膜（YIGM）的新型磁通门脑磁图传感器，能够记录大脑中非常弱或深的电源。由于其宽动态范围，该设备需要较少的磁屏蔽，意味着硬件和整个研究基础设施的成本都较低。该研究发表在Human Brain Mapping。2021.11德国汉堡大学研究人员开创了一种新的量子气体成像方法，可以精确测量原子数量、原子之间的关联和形成图样。该研究发表在Nature。2021.12多国麻省理工学院、滑铁卢大学研究人员利用金刚石氮空位色心，设计出一种量子磁场测量传感器，有望更块、更准确地检测新型冠状病毒。该研究发表在Nano Letters。2022.01美国加利福尼亚大学研究人员建立并运行了一个包含单个捕获的镭2266圣巴巴拉分校离子的光学时钟。该研究发表在Physical ReviewLetters。2022.02多国欧洲光学研究所（ICFO）、阿尔托大学研究人员使用仅比绝对零度高几十亿分之一度的原子检测到任何其他现有传感器技术都无法检测到的磁信号，首次实现了超过能量分辨率极限。该研究发表在PNAS。2022.02英国伯明翰大学、国防科学与技术实验室、Teledynee2v研究人员建造了世界上第一个在实验室条件之外的量子重力梯度仪。通过实现实用的量子重力梯度传感器克服了振动噪声限制，抑制了微震和激光噪声、热和磁场变化以及仪器倾斜的影响。传感器参数适用于测绘含水层和评估对地下水位的影响、考古学、土壤特性和含水量的测定。该研究发表在Nature。2022.02美国威斯康星大学麦迪逊分校研究人员创造了多路复用光学时钟的第一个例子，锶原子可以被分成多个时钟，在同一个真空室中排列成一条线。当它们同时将激光照射在室内的两个时钟上并进行比较时，两个时钟之间具有激发电子的原子数量保持不变长达26秒，时间比激光在正常光学时钟中允许的时间长得多。这一设计使团队能够测试寻找引力波的方法，尝试探测暗物质。该研究发表在Nature。2022.03多国北京量子信息科学研究院、乌尔姆大学、图尔大学、德累斯顿工业大学、马斯克普朗克研究所、俄罗斯科学院、莫斯科国立大学研究人员通过高温高压方法制备出含高浓度SiV色心的微米、纳米金刚石颗粒，通过研磨、酸洗、有机分子涂层等步骤，制备出适合于细胞内进行荧光标记，成功观测到SiV纳米金刚石被Hela细胞吸收；还实现了单个纳米金刚石的细胞内运动轨迹追踪，并进行了零声子线光谱追踪测量。研究表明，通过测量纳米金刚石SiV色心的零声子线的光谱频移，可用于温度传感。该研究发表在Nano Letters。2022.04多国奥地利科学院量子光学和量子信息研究所、因斯布鲁克大学、苏黎世联邦理工学院研究人员利用系统的快速不稳定动力学，捕获在微观光学谐振器中的纳米粒子的运动波动可以显著降低到零点运动以下。此次研究扩展了光腔作为机械量子挤压器的新用途，并提出了超越量子基态冷却的悬浮光力学可行的新途径。微谐振器可为量子传感器的设计提供新平台，例如，可用于卫星任务、自动驾驶汽车和地震学。该研究发表在PhysicalReview Letters。2022 量子精密测量产业发展报告7子精密测量主要依靠量子传感器为科学、技术和工业提供精密测量。在量子科技三大领域（量子计算、量子通信、量子精密测量）中市场化进展最快的一大领域。量子传感器可以产生关于电信号、磁异常和惯性导航的非常精确的信息，改善了时序、传感和成像。本章列举了一些量子传感器，主要涉及时间测量、重力测量、磁场测量和探测成像。通过列举这些已实用化的量子传感器和一些有望在中短期有望商业化的量子传感器，说明它们的重要性与潜力，以及其为健康、安全、商业、工业和科学用途带来的促进作用。量8一一、时间测量时间测量按照原子跃迁能级谱线对应的频段，原子钟分为微波原子钟和光学原子钟（简称光钟，在光波段运行的原子钟）。微波钟的波段为 1091010Hz，光钟的波段为 10141015Hz。光波段比微波波段高 45 个量级，因此，光钟被认为精度高于微波钟，是下一代的高精度时钟。1、原子钟（1 1）微波原子钟微波原子钟原子钟为国际时间测量和频率标准提供依据，也为其他基本物理量测量、物理常数定义和物理定律检验提供标准。原子钟精度的提高带动基本物理量等的精度提高，促进新物理发现和科学技术进步。微波原子钟技术已应用多年，当前主要有两个发展方向：追求更高精度、实现更小体积。例如，小型化通常以较低的频率精度为代价。当前，基于原子喷泉或热原子束的原子钟和磁状态选择原理可以达到相对的不确定性10-15至 10-16，最先进的芯片大小的原子钟具有不确定性 210-12。基本原理基本原理原子从一个能量态跃迁至低的能量态时会释放电磁波，同一种原子的电磁波特征频率是一定的，可用作一种节拍器来保持高度精确的时间利用的金属原子利用的金属原子铷、铯、氢，以碱金属原子为主应用领域应用领域定位、导航、网络、计量由原子钟的四大应用领域衍生的应用有卫星定位导航（GPS、Galileo、GLONASS、北斗）、国防军工（精确制导、作战指挥同步）、时间基准（信息通信、广播电视）等。以定位为例，每一颗卫星都载有多台微波段原子钟，通过对信号到达的时间做精确测量来给出用户定位信息。2022 量子精密测量产业发展报告9（2 2）光学原子钟）光学原子钟目前光钟有两种原子体系：囚禁冷却的中性原子团、囚禁冷却的单离子。随着光子集成、激光和微机电技术的发展，光钟可以实现较小的体积和较高的精度，有望广泛应用于对体积、质量、功耗和精度敏感的各种国防装备中。NIST 研制的锶原子光钟，在不确定度上达到 10-18量级、稳定度达到 10-19量级，相比微波原子钟进步了至少两个数量级。DARPA 在 2022 年 1 月公布其寻求将光钟从实验室转移到作战中。中国科学家发展的钙离子光钟的不确定度与稳定度均进入 10-18量级。中国预计在 2022 年 7 月将问天实验舱和梦天实验舱发射升空与空间站对接，梦天实验舱上将搭载三组冷原子钟，其由氢原子钟、铷原子钟、光钟组成，将构建时间频率实验室。（3 3）芯片级原子钟芯片级原子钟芯片级原子钟（CSAC）是在原子钟技术成熟下，对尺寸小、重量轻、用量大的高精度时钟提出新需求。CSAC 包括芯片级微波原子钟和芯片级光学原子钟。芯片级微波原子钟与小型恒温晶振相比，体积和功耗上相近，但是长期稳定度高3 个量级以上。小型恒温晶振的体积和功耗要比铷原子钟小近 2 个量级。芯片级光学原子钟是其工作原理与微波原子钟相似，除了跃迁频段不同之外，其频率发生器是稳频激光器而不是微波原子钟的晶体振荡器。芯片级光钟比芯片级微波钟具有更高的理论精度。芯片级原子钟的与微惯性测量组合和卫星导航技术相结合，形成微型导航定位授时单元，广泛应用于国民经济、军事领域和国家安全等方面。2001 年，DARPA 资助科研院所、大学和企业联合研发芯片级原子钟，目前地质学、地震学、石油勘探、电网运营和金融服务行业已从芯片级微波原子钟获益。2019 年，NIST 提出芯片级光钟，其铷原子气室和两个频率梳是用与计算机芯片相同的方法微加工的，这意味着它们可以支持电子和光学的进一步集成，并且可以大规模生产，是商业上可行的紧凑光学原子钟。芯片级光钟有可能变小到可手持使用，可能会在导航系统和电信网络等应用领域取代传统的振荡器。10图 3 美国 DARPA 和 NIST 芯片级时钟部件展示DARPA芯片级微波原子NIST芯片级光学原子钟2、分子钟分子钟特别是芯片级分子钟（CSMC）是由于原子钟、芯片级原子钟的价格昂贵，但时代发展对高精度时钟有大量需求的背景下，MIT 研究人员于 2018 年首次发明。CSMC 以极性气体分子在毫米波/太赫兹频段的旋转波谱为频率参考，通过硅基 CMOS 片上集成波谱系统 SoC，实现高稳定性、低成本、快速启动的便携式时间基准。目前芯片级分子钟正在逐步向小规模产业化推进，该技术具备取代传统小型化原子时钟和高端恒温晶振的潜力，在 5G/6G 无线接入网络时钟同步和微型定位导航授时（PNT）设备中具有广阔的应用前景。二、重力测量二、重力测量重力传感器通过测量地球表面不同位置的重力加速度、重力梯度，来描绘地球内部结构、地壳构造，用以勘探矿产资源、辅助导航等。本节主要介绍基于冷原子干涉的重力传感器，该技术相对成熟，在极度温度下对其质量相互作用的力很敏感，测量精度较高。下文列举了两个最重要的量子重力传感器，分别是应用于地质勘探的原子干涉重力仪和重力梯度仪。1、原子干涉重力仪基于原子干涉技术路线的量子重力仪是发展最为成熟的。它可以和重力梯度仪一同使用，进行探测地下结构、车辆检查、隧道检测、地球科学研究，有望降2022 量子精密测量产业发展报告11低土木工程和地质调查的成本，并能够作为一种基础物理应用检测的可能替代方法。美国、法国等少数几个国家已解决了冷原子干涉系统的长期稳定性和集成问题，正着力于攻克高动态范围和微小型化等应用难题，产品进入实用化阶段。中国的华中科技大学已于 2021 年将研制的实用化高精度铷原子绝对重力仪交付中国地震局地震研究所，是首台为行业部门研制的量子重力仪，意味着中国量子重力仪研究进入国际第一梯队。2、原子干涉重力梯度仪基于原子干涉仪的重力梯度仪具有很高的理论测量灵敏度，并可实现低漂移和自校准。此外，它基于全常温固态器件，具备工程化的优势，因而受到广泛关注。其组成一般包括两个分开一定距离的同时运行的原子干涉仪，通过比较两个原子干涉仪对重力梯度进行测量，并且同时差分测量重力梯度具有能抑制共模噪声（例如地面振动噪声和拉曼光相位噪声）的优点。重力梯度仪在资源勘探、地球物理学、惯性导航和基础物理研究等领域具有重要作用。三、量子导航三、量子导航根据定位方式的不同，量子导航分为量子有源导航系统和量子无源导航系统（量子惯性导航系统）。目前基于传统机械和光学的惯性导航存在漂移误差。为了满足未来高精度、全地域完全自主可靠的导航需求，原子干涉技术的新型惯性器件被提出和深入研究。本节将主要介绍量子惯性导航系统的原子干涉陀螺仪和原子干涉加速度计。1、原子干涉陀螺仪原子干涉陀螺仪基于萨格奈克效应测量载体的旋转角速度，是一种实现高精度角速率测量的新型惯性器件，惯性导航功能通常由它与原子加速度计结合实现。例如，通过加速度计（用于测量车辆的加速度）和陀螺仪（用于测量其旋转）识别运动速度和方向，从而推断出车辆的位置。与传统的惯性测量技术相比，新技12术可能会减少长期误差，并且在某些情况下最大限度地减少了对声纳或地理定位系统的需求。此外，惯性导航系统具有自主性，不受时空和外部环境限制，在国家安全等领域具有重要的应用价值。2、原子干涉加速度计原子干涉加速度计发展通常是伴随冷原子干涉陀螺仪。理论上，量子加速度计的精准度比传统惯性器件高几个数量级。例如，2018 年英国研制出一种名为量子定位系统（QPS）的量子加速度计，在潜艇行驶中，利用传统的惯性导航系统一天偏移距离能达到 1 公里左右，而 QPS 一天的偏移距离只有一米。冷原子干涉加速度计与原子干涉重力仪原理相近，前者通过拉曼光的传播方向定义惯性测量的方向，后者测量时原子做自由落体，拉曼光沿着重力方向传播，所以冷原子干涉加速度计的性能与重力仪相当。通过拉曼矢量的变换和原子干涉信息的空间解算，可以实现多自由度冷原子干涉惯性测量单元。图 4 M Squared 公司研发的冷原子量子加速度计四四、磁场测量、磁场测量2003 年，科学家们把具有飞特斯拉（10-15T）量级超高灵敏磁场探测能力的磁场探测器统称为超灵敏原子磁力计。当前，量子磁力计主要有超导量子干涉器件（SQUID）和各类原子磁力计，常见的有光泵磁力计（OPM）、非线性磁光旋转（NMOR）磁力计、无自旋交换弛豫（SERF）磁力计、金刚石 NV 色心磁2022 量子精密测量产业发展报告13力计等。其中，SQUID 发展时间最久，商业化较为成熟。目前最受关注的磁力计技术路径为：碱金属原子蒸气磁力计（主要包括 OPM 和 SERF 磁力计）与固态体系的金刚石 NV 色心磁力计。1、超导量子干涉器件磁力计超导量子干涉器件（SQUID）磁力计的原理基于超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象，能将磁场的微小变化转换为可测量的电压，在生物磁测量、大地测量、无损探测等方面获得了广泛的应用。目前，SQUID 磁力计在脑磁图方面商业化最为成熟，处于行业主导地位，是应用最广的量子磁力计，但该系统需要液氦对工作环境制冷，从而带来的运行成本高、装置复杂、造价昂贵，以及探头距头皮位置较远带来的测量精准度问题，限制其大范围推广应用。2、碱金属原子蒸气磁力计碱金属原子蒸气磁力计无须使用低温超导磁体，仅需要常温或高温的原子蒸气室和光源，是一种有效的、测量微小磁场变化的激光探测仪器。目前最灵敏的原子磁力计的灵敏度已优于 SQUID，可支持生物样品的非侵入性测试和表面科学研究，对空间分辨率自旋成像领域有很大价值。测量原理测量原理通过激光技术测量磁场中自旋极化原子的拉莫尔进动来实现磁场探测测量工具测量工具惰性气体原子（如氦和氙）或碱金属原子（如钾、铷、铯）应用领域应用领域地磁学、生物磁学、星载传感和非破坏性测量等领域原子磁力原子磁力计示意图计示意图14原子磁力计目前实用化方向主要是生物医学领域，例如，神经功能研究，为了解和治疗阿尔茨海默病、帕金森病等提供了更全面的支撑。例如，当前医院使用的脑磁图（MEG）诊断方式是通过 SQUID 获得磁场数据，设备占地面积大、价格昂贵、需液氦制冷、维护成本高，不利于大规模推广应用。SERF 和 OPM 实现了磁力测量设备的小型化。SERF 原子磁力计具有对低频信号敏感、室温运行、功耗低、小型化、可穿戴等优点，分辨率也与 SQUID 接近或超越，适合大规模推广应用。至于 OPM 磁力计，2021 年，诺丁汉大学与Magnetic Shields 公司合作设立的 Cerca Magnetics 公司，推出了新型的可穿戴式脑磁图扫描仪（OPM+MEG）。图 5 Cerca Magnetics 公司研发的可穿戴 OPM可穿戴脑磁图诊断设备传感器阵列3、金刚石氮空位色心磁力计前面所述几种原子磁力计所用媒质均为气体状态下的碱金属原子，并用玻璃泡封装做物理探头，而金刚石氮空位（diamond nirtogen-vacancy）磁力计基于固体媒质，其因具有极高的空间分辨能力而受到关注。NV 色心磁力计原理是单电子自旋比特的相干操纵，特点是无需低温冷却即可保证生物相容性和高灵敏度。当前 NV 色心磁力计对磁场的灵敏度比 SQUID 或原子磁力计差，但该材料的生物信号成像在理论上接近光学衍射极限，有望达到微米级的空间分辨率，这是其他竞争技术无法实现的，适合生物传感的优点，被广泛应用在生物大分子和2022 量子精密测量产业发展报告15基础物理等方面的研究中。在灵敏度指标上，己实现纳米尺度分辨率，可测得单核自旋的灵敏度。与 SQUID 和原子磁力计不同，NV 色心磁力计不需要从地球磁场屏蔽以实现最大值灵敏度，无需磁屏蔽。在应用方面，基于系综 NV 色心的磁力计己测得了蠕虫神经元产生的磁信号、涡流成像、古地磁学中的矿石检测等。图 6 一种用于生命科学领域的金刚石氮空位色心磁力计原型五五、量子探测成像、量子探测成像随着量子信息技术的发展，量子成像以其探测灵敏度、成像分辨率可以突破传统相机的经典极限限制以及非局域成像、单像素成像、无透镜成像等优点，在高分辨率成像、非相干成像、恶劣条件下成像等方面具有广阔的应用前景，引起了科学家们广泛关注，目前正朝着实用化的方向迈进。量子成像利用光子相关性，允许抑制噪声并提高想象物体的分辨率。目前技术路径有 SPAD（Single Photon Avalanche Detectors）阵列、量子幽灵成像（也称重合成像或双光子成像）、亚散粒噪声成像、量子照明等。量子成像应用场景可能为 3D 量子相机、角落后相机（Behind-the-corner cameras）、低亮度成像和量子雷达或激光雷达等。本节主要介绍量子探测成像的主要应用量子雷达。量子雷达量子雷达作为一种新型传感器有望探测隐形平台，它可以丰富目标信息的维度、消除一些背景噪音，有优于经典雷达的性能，从而识别隐身目标（如飞机、导弹、水面舰艇）。然而隐身系统对军方尤为重要，因此量子雷达尤其受到美国、16俄罗斯和中国（该三国是隐形战机的主要国家）军方的关注，是军方提升攻击和防御能力的重要技术辅助。量子雷达的研究还处在初期阶段，存在一定局限性，例如探测范围不及传统雷达，目前还无作战价值。量子雷达工程化开发仍然存在巨大挑战，同时考虑到造价成本，未来有望部署在一些特殊地区完成任务。基本原理基本原理采用微波量子或光量子进行探测（量子照明），利用波粒二象性，对粒子性进行测量测量目标测量目标信息以量子信息的形式调制在单个光子状态上，接收机识别单个光子的能量模式应用领域应用领域导弹制导、海事监测、气象检测预报、地面警戒和机场交通导航等量子雷达根据发射端和接收端工作模式的不同为三类：一是量子发射、经典接收，如单光子雷达；二是经典发射、量子接收，如量子激光雷达；三是量子发射、量子接收，如干涉量子雷达和量子照明雷达。量子雷达的研究主要围绕量子纠缠干涉、量子照明和量子相干态接收三方面。量子雷达研究的典型代表是 2007 年美国国防部高级研究计划局启动的量子传感器项目和量子激光雷达项目。2018 年，在中国国际航空航天博览会上，中国电科展示了一种量子雷达系统。2020 年，由奥地利科学技术研究所、美国麻省理工学院、英国约克大学和意大利卡梅里诺大学人员组成的研究组展示了一种利用纠缠微波光子的量子照明探测技术，基于该技术的量子雷达受背景噪声影响小、功耗低，探测远距离的目标不会暴露，该技术在超低功耗生物医学成像和安全扫描仪方面具有潜在的应用前景。六六、总结与观点、总结与观点1、OPM 磁力计磁力计、冷原子干涉和金刚石氮空位色心是当前重点、冷原子干涉和金刚石氮空位色心是当前重点发展技术发展技术在脑磁测量领域，高灵敏的 OPM 磁力计具有比传统的 SQUID 磁力计低许多的制造和运行成本，这使得 OPM 磁力计在基础物理和实际应用研究中得到大量关注与研究，是目前国际上公认的下一代脑磁图仪器的发展方向。此外，在五个最具潜力的量子传感器物理实现方式中，冷原子干涉和金刚石氮空位色心是目2022 量子精密测量产业发展报告17前各学术团队、各国家发展较快的技术，提及频次高，受关注度高，且已经商业化的量子传感器中，也多为这两项技术，例如冷原子干涉重力仪、量子钻石原子力显微镜等。2、原子钟技术稳健发展，时钟向更高精度（光钟）和小型化（芯片钟）发展、原子钟技术稳健发展，时钟向更高精度（光钟）和小型化（芯片钟）发展时钟和时频同步关系到国防安全、社会生活、科学研究的方方面面，甚至其他一些量子精密测量应用都需要依赖原子钟，因此，时钟领域的研究始终是各国的重中之重。原子钟的发展历程最久，最早了进入商业化阶段，但当前仅有极少数国家掌握了原子钟技术，这些国家主要研究方向主要为：向更高精度的微波原子钟及光钟技术推进；研究设备的小型化与冷却技术，将量子传感器集成到一个量子惯性测量单元中，用于冷却原子并同时保持相干性的激光冷却装置的小型化（抑制与嘈杂环境的相互作用）。18子精密测量相关的研究已在全球多个国家和地区展开，主要发展地区集中在北美洲、欧洲和亚洲，本章将从这三大地区及其主要量子精密测量参与研究的国家展开，涉及美国、加拿大、英国、德国、法国、日本、中国，这些国家同时也是量子计算和量子通信的主要技术国。上述七国在国家量子精密测量战略政策的广度、深度和国家支持力度均较为突出，但全球还有其他国家也参与了量子精密测量研究，例如荷兰、芬兰、意大利、瑞士、俄罗斯、澳大利亚、韩国、新加坡等国也有一定积累和优势。量2022 量子精密测量产业发展报告19一、北一、北美美北美在全球各大洲中量子精密测量领域整体技术实力最强的地区，主要研究国是美国和加拿大。并且，从发表的高水平期刊文章的研究团队也可看出两国在量子精密测量领域开展了合作研究。美国美国自 2018 年发布国家量子倡议（NQI）法案以来，量子精密测量作为 NQI的一个重要发展的领域，几乎涉及所有美国量子技术报告。表 3 美国涉及量子精密测量的主要报告时间时间发布方发布方简要内容简要内容2016.02美国能源部（DOE）发 布 Quantum Sensors at the Intersections of FundamentalScience,Quantum Information Science&Computing报告，提及多个量子测量相关的前沿