技术与标准丨量子测量技术进展及应用趋势分析

信息通信技术与政策 2021-10-19

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作者简介

张萌

中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部工程师，主要从事量子信息领域的政策、产业、标准和前沿技术研究，以及分组传送、时频同步领域的技术研究、测试认证等相关工作。

赖俊森

中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部主任工程师，高级工程师，博士，主要从事量子信息相关新技术研究、标准制定及测试验证等工作。

论文引用格式：

张萌, 赖俊森. 量子测量技术进展及应用趋势分析[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(9):72-78.

∗基金项目：国家自然科学基金项目（No.62006248）资助

量子测量技术进展及应用趋势分析*

张萌赖俊森

（中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京 100191）

摘要：量子测量技术作为量子信息领域的一个重要分支，受到广泛的关注，其测量精度有望突破经典物理的极限，同时将会在诸多领域发挥重要的作用。对量子测量技术的发展演进进行了综述，并对国内外应用产业发展、标准化研究、基础器件材料等方面提出了相应的分析与建议。

关键词：量子测量技术；产业；标准化

中图分类号：TN918；O413 文献标识码：A

引用格式：张萌, 赖俊森. 量子测量技术进展及应用趋势分析[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(9):72-78.

doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.09.012

0 引言

量子信息技术具有重要的科学和应用价值，引发产学研界广泛的关注。量子计算和量子通信领域都面临着一个亟待解决的问题——量子态的退相干效应。退相干是量子位与环境相互作用，会使得量子计算和通信中的叠加态或者纠缠态不受控制地发生改变，从而引起信息的错误或丢失。退相干现象与多种环境因素有关：比如环境电磁场、温度的变化或者量子位之间的串扰。如果将这一“缺点”加以利用，通过量子态的变化直接或者间接地将环境物理量的大小读取出来，就实现了量子测量。值得注意的是，退相干效应在量子测量领域依然是一个问题，它可能导致信噪比下降甚至信号消失。一个形象的比喻就是，在退相干条件下进行物理量测量就像给一个快速移动的人拍摄长曝光照片，结果会得到一张模糊的相片^[1]。因此，为了实现高精度的量子测量，一方面需要尽可能保证量子态可控且可读取；另一方面需要研究量子态退相干机制，根据待测物理量的特性，选取适合的量子体系和性质进行信号探测。

量子测量是指利用量子特性获得更高性能的测量技术^[2]。目前，对于量子测量没有明确的公认的定义描述。笔者认为量子测量具备“二三四五”的特点：两个基本特征、三种主要类型、四个基本步骤和五大主要应用领域。两个基本特征是指测量系统中操作的对象是微观粒子（如光子、原子、离子等），并且系统在待测物理场中演化导致量子态的改变实现精密测量。量子测量按照技术原理可以分为基于分立能级结构、基于量子相干叠加和基于量子纠缠/压缩态三种主要类型。三大类型也是量子测量技术的三个演进阶段，从分立能级到相干叠加，再到量子纠缠，测量精度不断提升，甚至突破经典物理极限。代价是系统复杂度和成本提升、体积增大。量子测量的实施过程可以归纳为量子态的制备与初始化、量子体系在待测物理场中演化、演化后量子态的读取和结果处理转化四个基本步骤。目前，量子测量主要应用在时频同步、磁场测量、定位导航、重力测量和目标识别/成像等领域。

图1为量子测量技术的系统框架。最底层以量子力学为理论基础，运用相干叠加、量子纠缠等技术上手段对原子、离子、光子等微观粒子的量子态进行制备、操控、测量和读取，配合数据的处理与转换，实现对角速度、重力场、磁场、频率等物理量的超高精度的精密探测，甚至有望突破经典物理的理论极限。通过应用层的软件将结果呈现给行业用户。在理论与技术基础层面，基础物理理论基本完备，但是部分原理技术仍有待突破，如量子纠缠态高效确定性的产生方法、远距离分发技术等。在硬件与系统工程化层面，一些高校和研究院所的原理样机基本成熟，并不断探索和刷新性能指标；部分成熟领域处于工程化阶段，建立初创公司，推出商用产品。在软件开发层面，借助机器学习和量子计算开发数据处理软件算法，可以高效地提取有效数据，从而降低系统对环境因素的严苛要求或提升数据采集实时性；控制软件和应用软件目前不是研究热点，但又是未来商用化必须解决的问题。在行业应用层面，跨学科/跨领域应用场景探索是目前的研究热点。

图1 量子测量技术体系框架

量子测量技术具有超高的测量精度和超越经典极限的能力，但这并不代表量子测量技术短期内会取代经典测量。从目前来看，量子测量和经典测量应用领域和场景有所不同，量子测量技术测量精度高，适用于基础科研、军事国防等高精尖的领域，但是量子传感器往往体积大、成本高、鲁棒性差、需要专业人员调试和操控，还不适合大规模商业推广；而传统的经典传感器，特别是MEMS传感器，技术成熟、体积小、集成度高、成本低，更适用于民用场景，比如车联网、物联网等领域。未来一段时间内，量子测量技术作为传统测量技术的一种增强和补充，短期内并不存在取代的关系。

1 国内外科研投入布局及研究现状

量子测量涵盖电磁场、加速度、角速度、重力应力、时间频率等物理量，未来将在基础理论研究、航空航天、生物医药、惯性制导、能源勘探等诸多领域应用，特别是很多技术涉及事国防领域，因此受到各国政府的关注，竞相布局，加大研究开发的力度。

美国早在2016年就提出了十大“Big Ideas”作为长期研究计划，其中包括“量子飞跃：引领下一次量子革命”计划，着眼于实现更高效的计算、通信、传感和模拟；国防部高级研究计划局（DARPA）设立小企业创新研究（Small Business Innovation Research，SBIR）和小企业技术转让（Small Business Technology Transfer，SBTT）项目，支持包括量子传感与计量在内的十余个技术领域的研究。2020年12月，美国空军拨款3500 万美元量子研究资金，AOSense等8家量子测量企业获得资金支持。DARPA启动的Micro-PNT计划也支持了芯片级原子钟、集成微型主原子钟（冷原子钟）、量子陀螺等领域的研究，开发小型化、芯片化的定位导航授时系统，重点研究和发展无源定位导航技术，确保军队能够在全球定位导航系统拒止条件下保持高精度的定位导航授时能力。美国国防部启动的“增强原子钟稳定性”（ACES）项目旨在开发下一代芯片级原子钟，并将性能提高1000 倍。

欧洲量子技术旗舰计划成立于2018年，目的是将研究机构、行业和公共资助者聚集在一起，促进欧洲量子产业的发展，使量子研究成果成为商业应用和颠覆性技术。2020年2月，欧盟发布的量子旗舰计划战略研究进展报告中指出，量子传感与测量技术主要聚焦于压力、温度、重力、磁场测量，以及时钟同步、定位导航、超高分辨成像等领域，并在将医学、物理、化学、生物学、地球物理、气候科学、环境科学等应用领域产生重大的影响。欧洲量子旗舰计划启动了20个研究项目，其中有4个项目直接与量子测量相关，分别是macQsimal（用于传感和计量应用的微型原子蒸气池量子器件开发）、MetaboliQs（利用室温金刚石量子动力学实现安全的多模式心脏成像）、iqClock（集成化量子时钟）和 ASTERIQS（金刚石量子传感技术）。

英国量子技术战略委员会启动国家量子技术计划，投资1.2 亿英镑建立4个量子技术中心。其中，英国国家量子技术中心将聚焦量子传感器和测量技术，应用于国防、地球物理学、医学诊断、建筑、海军导航、数据存储主机、健康监测、游戏接口、GPS替换、数据存储产品、本地网络定时和重力成像等领域，量子成像中心将聚焦新型超高灵敏度相机，包括单光子可见光和红外摄像机、单像素摄像机、极端时间分辨率成像、三维轮廓、高光谱、超低通量隐蔽照明、超视距成像和局部重力场成像等技术领域。并计划在5年内为4个中心投资9400 万英镑，刷新了量子技术中心，以保持英国通过英国国家量子技术计划在量子技术方面建立的技术研究领导地位。

德国实施的“量子技术——从基础到市场”计划，在2018—2022年间为量子技术研发、产业化拨款6.5 亿欧元，重点研究包括用于高性能高安全数据网络的测量技术在内的诸多技术领域，为量子技术的发展打下牢固的学术和经济基础。

日本文部省发布量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP），资助光量子领域的科学研究，重点支持包括量子测量和传感器在内的3个技术领域的研发,每个技术领域设立1个基础研究项目和2个旗舰项目。基础研究项目每年资助2000 万~3000 万日元，旗舰项目每年资助3 亿~4 亿日元。在量子测量和传感器领域，设置了固体量子传感器及量子光传感器2项旗舰项目。

在我国，中共中央政治局于2020年10月16日就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习，中国科学院薛其坤院士进行讲解，提出了意见和建议。习近平总书记发表重要讲话，为当前和今后一个时期我国量子科技发展做出重要战略谋划和系统布局。十九届五中全会审议通过的“十四五”规划建议中也提到对量子信息等前沿领域实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。2020年12月以来，各省市陆续出台“十四五”规划与建议，提出加快突破核心关键技术，前瞻布局量子科技。安徽省特别提到要加快形成量子信息产业创新链，打造具有全球影响力的“量子中心”，并且积极布局空地一体量子精密测量实验设施。

在各国项目资金的支持下，各大科研机构加大在量子测量领域的科研投入，图2为国内外量子测量领域主要的高校和科研院所，2020年以来在量子陀螺仪^[3-4]、金刚石氮-空位（NV）色心核磁共振谱测量^[5-6]、量子雷达/成像/显微^[7-9]、量子测距^[10]、光晶格钟^[11]、纠缠时钟^[12]、量子纠缠传感网络^[13-15]、量子压缩^[16]及其在引力波探测领域应用^[17-18]等诸多领域取得突破进展。

图2 国内外量子测量领域主要高校和科研院所

2 国内外量子测量应用与产业分析

从不同技术路线对比来看，基于量子纠缠的测量技术在学术研究方面备受关注，原因在于其测量精度最高,理论分析证明可以突破经典物理学的标准量子极限（Standard Quantum Limit，SQL），已经在量子雷达、纠缠时钟网络等领域开展应用探索，但技术成熟度也最低，目前还处于理论验证或原理样机开发阶段，商业应用前景尚不明朗。基于冷原子干涉和无自旋交换弛豫原子自旋（Spin Exchange Relaxation Free，SERF）的量子测量技术具有较高的理论测量精度，除进一步提升系统测量进度外，目前已开展相关领域小型化、芯片化和可移动化的研究，但是距离规模商用仍有一定距离。基于核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）的量子测量技术虽然精度不如冷原子及SERF，但是研究起步早，技术成熟，目前已有相对成熟的模块化商品应用，芯片化、低功耗、低成本是未来研究趋势。量子增强测量技术采用量子技术对经典信号的测量精度进行提升，对现有系统改造最小，与传统测量系统兼容性较强，特别是在雷达探测、目标成像等领域具有潜在应用价值。

从国内外对比来看，部分领域国内成果与国际先进水平还有1~ 2个数量级的差距，部分领域成果可以与国际并跑。总体来看，我国量子测量技术前沿研究属于稳步发展的阶段。但是从公司参与程度、产业化程度看，我国与欧美国家差距较大（见图3）。欧美多家公司已推出基于冷原子、超导、SERF、核磁共振等量子技术的重力仪、频率参考（原子钟）、磁力计、加速度计、陀螺仪等商业产品。此外，全球量子测量市场和产业的增长越来越多地受到合作伙伴的共同推动，系统设备商与设备供应商、高等院校、研究机构等建立合作伙伴关系，使市场参与者能够利用彼此的技术专长共同促进产品研发和推广。我国量子测量应用与产业化正在逐步发力。较为成熟的量子测量产品主要集中于量子时频同步领域。中国电子科技集团有限公司、中国航天科技集团有限公司、中国航天科工集团有限公司和中国船舶重工集团有限公司下属的一些研究机构正逐步在各自优势领域开展量子测量方向研究，突破关键技术，完成原理样机向工程化产品的转化，未来的5~10 年将形成产业化能力基础。高校和研究机构对于科研成果的商业转化支持力度也逐步增大。

图3 国内外量子测量产业化对比

总体来说，整个量子测量产业目前还处于初级阶段，尚不具规模。主要原因包括：一方面量子测量领域的技术门槛比较高，需要一定的专业知识和技术积累，对人才的专业素养要求严格，目前大部分的量子测量企业都是从高校或者科研院所孵化的，或者具有军工背景；另一方面，除了量子雷达、量子磁力计具有明确的民用场景外，其他量子测量技术主要定位于非民用、非工业的应用场景，面向军队或政府等特殊领域的封闭市场，不适于推广商用。

3 量子测量领域标准化初步探索

量子测量领域目前仅在零星的领域开展标准化预研和初步探索，标准化尚未全面开展。例如，ITU-T 的面向网络的量子信息技术焦点组（FG-QIT4N）和IETF的量子互联网研究组对量子时频同步在网络中的应用案例开展研究；国内TC578（全国量子计算与测量标准化技术委员会）立项研究课题，开展量子惯性测量测试方法研究；中国通信标准化协会（CCSA）量子通信与信息技术特设任务组（ST7）在量子信息处理工作组（WG2）立项研究课题，开展量子时间同步技术在通信网中的应用研究。

量子测量领域开展标准化工作面临一系列问题：量子测量分支领域多，技术方案差异大，标准化存在一定难度；很多领域术语定义以及综合评价的指标体系、测试方法尚未统一；由于该领域产业规模相对较小，行业用户、设备商参与度较低。因此，量子测量领域开展标准化工作需要注意以下几点。

（1）标准体系建设需要整体布局，对量子传感器的应用场景、技术成熟度、商业前景进行梳理分析，并且优先完成对量子测量领域关键术语定义、总体技术要求、性能指标科学评价体系、客观统一测试方法等方面的标准化工作。

（2）各分支领域的标准化工作，需要专业技术背景较强的科研人员、产品开发人员和标准化专家共同核心参与完成。

（3）提升行业用户、设备制造商等在标准制定中的参与度，面向重点领域成立标准推进联盟或焦点组，促进产学研用各方就原理探索、技术攻关、产品研发、部署应用等方面问题深度交流合作，协同推进产业生态构建与标准制定。

（4）国家标准制定中充分发挥商业企业、科研院所、行业组织等的推动作用，加快我国标准国际化进程，有规划地将我国优势领域的技术推向国际化标准组织，争取更大话语权。

4 我国基础领域问题及发展建议

我国量子测量大部分核心组件主要基于自主研发，但设计和研制样机所需的部分元器件、高端仪表、基础材料依然不能完全实现自主可控，大致可以分为几个方面：国内不具备商业化能力或者产品性能不能满足需求，需要通过进口途径购买；国内不具备生产能力，又涉及国防军工等敏感领域，进口困难；国内具有研发潜力，但是市场规模用量非常小，仅靠市场很难推动相关的研发制造；需要结合工程应用的需求定制化开发。

前两类元器件缺乏自主研发能力，容易形成“卡脖子”风险，需针对涉及重要领域瓶颈的关键技术进行全面梳理，加强研发攻关；第三类单依靠市场难以推动，需要政策及项目资金引导；第四类需要专用化特异性的研究和技改项目支持研究，也需要多个优势院所联合攻关才能真正解决。对于基础加工方面，应继续以科学态度弘扬“大国工匠”精神，提升基础加工制造工艺水平，特别是高精密加工和先进基础工艺领域。通过政策、项目、资金、市场多管齐下，进一步实现量子测量系统中的基础材料、核心器件、辅助器件以及测试高端仪表的自主研发。

当前量子测量产业发展处在早期阶段，产业资源集中在核心系统设计及整机的工程化开发中，在大规模应用推广到来之前量子测量的应用对上游的牵引力还不足，导致上游有实力的元器件及工艺厂商在面向量子产业的研发投入不足，制约了产业的整体发展。因此，需要在项目布局方面向上游生态企业延展，是拓宽当前量子测量产业边界重要的推动点。

5 结束语

量子测量技术是量子科学理论和测量、传感、计量技术相结合的产物，具有广阔的应用前景。近年来，政策和项目扶持力度逐步加大，科研领域保持活跃，性能指标不断提升，同时与生物医药、地质探测等诸多领域相结合涌现出一系列应用成果案例。我国具备良好的科研基础，但是产业化和标准化方面还处于起步阶段，仍需要产学研用多方合作交流，共同提升工程化和实用化水平，推动产业落地。面对技术瓶颈，应发挥优势、联合攻关，最终实现量子测量领域的自主可控。

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Research progress and application analysis of quantum sensing

ZHANG Meng, LAI Junsen

(Technology and Standards Research Institute,China Academy of Information Communications Technology,Beijing 100191, China)

Abstract: As an important branch in the field of quantum information, quantum sensing technology has received extensive attention. Its measurement accuracy is expected to break through the limit of classical physics, and it will play an important role in many fields. In this paper, the development and evolution of quantum sensing technology are reviewed, and the corresponding analysis and suggestions on the development of application industry, standardization research, basic device materials at home and abroad are put forward.

Keywords: quantum sensing technology; industry; standardization

本文刊于《信息通信技术与政策》2021年第9期

主办：中国信息通信研究院

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