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”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：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)進行制備、操控、測量和讀取，配合數(shù)據(jù)的處理與轉(zhuǎn)換，實現(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)采集實時性；控制軟件和應(yīng)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(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。

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)的一種增強和補充，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)，重點研究和發(fā)展無源定位導(dǎo)航技術(shù)，確保軍隊能夠在全球定位導(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“增強原子鐘穩(wěn)定性”(ACES)項目旨在開發(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，目的是將研究機構(gòu)、行業(yè)和公共資助者聚集在一起，促進歐洲量子產(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個研究項目，其中有4個項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、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，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(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)研究項目和2個旗艦項目?；A(chǔ)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(lǐng)域，設(shè)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(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驗設(shè)施。

在各國項目資金的支持下，各大科研機構(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/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、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，目前還處于理論驗證或原理樣機開發(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，除進一步提升系統(tǒng)測量進度外，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。量子增強測量技術(shù)采用量子技術(shù)對經(jīng)典信號的測量精度進行提升，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，特別是在雷達探測、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(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、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。

(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，面向重點領(lǐng)域成立標(biāo)準(zhǔn)推進聯(lián)盟或焦點組，促進產(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)計和研制樣機所需的部分元器件、高端儀表、基礎(chǔ)材料依然不能完全實現(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)進行全面梳理，加強研發(fā)攻關(guān)；第三類單依靠市場難以推動，需要政策及項目資金引導(dǎo)；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(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“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基礎(chǔ)工藝領(lǐng)域。通過政策、項目、資金、市場多管齊下，進一步實現(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。

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)，最終實現(xiàn)量子測量領(lǐng)域的自主可控。