文 | 中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師 張萌
隨著物聯網、車聯網、遠程醫療等新興技術研究的持續升溫，超高精度低成本的傳感器、生物探針、導航器件等關鍵器件的需求量迅速增長。量子測量基於量子特性，具有超高的測量精度，甚至可以突破經典測量的極限，其中某些領域有望進一步集成化、晶片化，受到學術界以及產業界的廣泛關注。
一、應用領域豐富多樣，兩大特徵標識量子測量
量子測量涵蓋電磁場、重力應力、方向旋轉、溫度壓力等物理量，應用範圍涉及基礎科研、空間探測、材料分析、慣性制導、地質勘測、災害預防等諸多領域。通過對不同種類量子系統中獨特的量子特性進行控制與檢測，可以實現量子定位導航、量子目標識別、量子重力測量、量子磁場測量、量子時間基準五大領域的精密測量。
高精度是量子測量的核心優勢。比如傳統機電式陀螺儀的精度約為10e-6°/h，而量子陀螺的理論精度可達10e-12°/h；又如傳統時間同步技術最高精度是100ps，而量子時間同步協議的精度可達到皮秒量級。
小型化和集成化是未來發展的趨勢。美國麻省理工學院2019年首次報導了在矽晶片上製造量子傳感器，實現對磁場的精密測量，器件結構緊湊，功耗較低，在量子傳感器和CMOS技術的結合方面邁出了關鍵的一步。中科大2019年首次實現50納米空間解析度的高精度多功能量子傳感，為高空間解析度非破壞電磁場檢測和實用化的量子傳感打下了基礎，可用於微納米尺度電磁場及光電子晶片的檢測。
對於量子測量的定義，一直存在著爭議和疑問。量子測量到底是不是「量子的」？到底什麼測量技術可以歸屬於量子測量？筆者認為，量子測量可以定義為利用量子特性來獲得比經典測量系統更高的解析度或靈敏度的測量技術的總稱。量子測量技術應具有兩大基本特徵：一是操控觀測對象是微觀粒子系統，二是與待測物理量相互作用導致量子態變化。具備以上兩點特徵的測量技術都可以納入量子測量的範疇。
按照對量子特性的應用，量子測量又可以分為三個基本類別，即：基於量子能級、基於量子相干性、基於量子糾纏的三種量子測量技術。三種類別原理差異較大，技術成熟度也不盡相同
二、基於量子能級和相干性測量技術相對成熟，逐步產品化
基於量子能級的測量技術通過待測物理量與量子體系相互作用，改變量子體系的能級結構，通過對輻射譜的直接或間接探測實現對待測物理量的精密測量。技術相對成熟，已實現產業化，從20世紀50年代就逐步在原子鐘等領域開始應用。但部分領域應用對實驗條件要求比較嚴苛，依賴於對量子態的操控技術。
基於量子相干性的測量技術主要利用量子的物質波特性，通過幹涉法進行外部物理量的測量。技術相對成熟，精度較高，廣泛應用於陀螺儀、重力儀、重力梯度儀等領域，但是系統體積通常較大，難以集成化。
上述兩種測量技術沒有充分利用量子的糾纏、壓縮等獨特性質，目前技術較成熟，涉及面寬，涵蓋了大部分量子測量場景，部分領域已經實現產品化。
三、基於量子糾纏測量精度突破經典極限，核心技術有待突破
基於量子糾纏的測量技術條件最為嚴苛，同時也最接近量子的本質，測量精度理論上可以突破經典測量技術的散粒噪聲極限，達到自然物理原理所能達到的最根本限制——量子力學的海森堡極限，實現超高精度的測量。但是基於量子糾纏的量子測量技術研究還比較少，受制於量子糾纏態的製備和操控等關鍵技術的限制，目前僅停留在實驗室研究階段，距離產業化和實用化較遠。
四、歐美國家量子測量產業發展迅速，我國逐步發展、穩步推進
鑑於量子測量技術涉及軍事、民生、科研諸多領域，戰略意義突出，各國競相布局。歐美國家量子測量領域多為高校、研究機構、企業、軍隊、政府多方聯合助力，共同推進技術發展和產業推廣，實現研究成果落地和產品化。目前量子時鐘源、量子磁力計、量子雷達、量子重力儀、量子陀螺、量子加速度計等領域均有成熟商用產品，用於軍事、航天航空、醫療、能源、通信等領域。國內的研究多集中於高校和科研機構。從科研機構數量、科研投入、論文數量來看基本與歐美國家持平。從科研成果來看，部分領域與歐美國家仍有數量級上的差距，總體穩步推進。但是，與歐美國家相比，國內研究機構和行業企業之間的合作交流十分有限，缺乏溝通合作的平臺與機制，成果轉化和智慧財產權開發較為困難。目前國內已經產業化的領域多集中在原子鐘領域。少數企業致力於量子雷達、量子態操控與讀取等領域。
從產業分析來看，量子測量產業市場收入將穩步增長。根據BCC Research的統計分析，全球量子測量市場收入由2018年的1.46億美元增長到2019年的1.61億美元，並預測未來5年年複合增長率將在13%左右。歐美國家，特別是北美地區量子測量產業收入最高，預計將繼續主導收入份額。北美地區是先進技術的領導者和推動者，量子測量產業必將在此地區快速地紮根和發展。而亞太地區，特別是中國，有望為量子測量產業提供巨大的市場潛力。隨著國內對車聯網、物聯網、遠程醫療等技術的興起，超高精度低成本的傳感器、生物探針、導航器件等關鍵器件的需求量會呈指數增長，為量子測量產業提供了廣闊的市場。
五、我國量子測量領域發展仍需持續投入，多方助力
量子測量領域具有巨大的發展潛力和廣闊的市場前景，但是我國量子測量領域發展中還存在一些關鍵問題需要解決。首先，我國量子測量技術研究仍處於跟隨階段，與世界先進水平仍有數量級的差距，自主創新成果與歐美國家相比較少。部分關鍵器件的研發製造或性能指標尚未突破，仍依賴進口，如超穩窄線寬雷射器、高性能光電檢測器件等。建議增大這部分研發投入，儘快追趕歐美國家先進水平，鼓勵自主創新。其次量子測量領域分支眾多，不同領域技術方案多樣且發展水平不均衡。建議梳理整個測量領域的發展現狀，繪製整個領域的發展路線圖和時間表，有重點、分階段地持續進行投入，避免盲目重複投資和不良競爭。政府還需要提供公平透明的科技扶持政策和環境，實事求是，優勝劣汰。最後，量子測量在實際應用中，不同的應用場景對性能指標的要求不盡相同，需要完備的指標體系，不是簡單地追求某一個性能參數的不斷提升。理論研究應與實際應用、產業發展緊密結合，在追求性能指標提升的基礎上，更加關注集成化、實用化。更重要的是產學研用多方助力，建立溝通合作的平臺與機制，促進科研成果落地和智慧財產權開發。總之，廣闊的市場前景必然會推動技術研究和產業市場的發展，但基於自主智慧財產權的先進技術支撐至關重要。
（來源：中國信通院）