研究成果
量子测量技术发展与关键问题剖析
作者:张萌            发布时间:2020-01-07

  随着物联网、车联网、远程医疗等新兴技术研究的持续升温,超高精度低成本的传感器、生物探针、导航器件等关键器件的需求量迅速增长。量子测量基于量子特性,具有超高的测量精度,甚至可以突破经典测量的极限,其中某些领域有望进一步集成化、芯片化,受到学术界以及产业界的广泛关注。

  一、应用领域丰富多样,两大特征标识量子测量

  量子测量涵盖电磁场、重力应力、方向旋转、温度压力等物理量,应用范围涉及基础科研、空间探测、材料分析、惯性制导、地质勘测、灾害预防等诸多领域。通过对不同种类量子系统中独特的量子特性进行控制与检测,可以实现量子定位导航、量子目标识别、量子重力测量、量子磁场测量、量子时间基准五大领域的精密测量。

  高精度是量子测量的核心优势。比如传统机电式陀螺仪的精度约为10e-6°/h,而量子陀螺的理论精度可达10e-12°/h;又如传统时间同步技术最高精度是100ps,而量子时间同步协议的精度可达到皮秒量级。

  小型化和集成化是未来发展的趋势。美国麻省理工学院2019年首次报道了在硅芯片上制造量子传感器,实现对磁场的精密测量,器件结构紧凑,功耗较低,在量子传感器和CMOS技术的结合方面迈出了关键的一步。中科大2019年首次实现50纳米空间分辨率的高精度多功能量子传感,为高空间分辨率非破坏电磁场检测和实用化的量子传感打下了基础,可用于微纳米尺度电磁场及光电子芯片的检测。

  对于量子测量的定义,一直存在着争议和疑问。量子测量到底是不是“量子的”?到底什么测量技术可以归属于量子测量?笔者认为,量子测量可以定义为利用量子特性来获得比经典测量系统更高的分辨率或灵敏度的测量技术的总称。量子测量技术应具有两大基本特征:一是操控观测对象是微观粒子系统,二是与待测物理量相互作用导致量子态变化。具备以上两点特征的测量技术都可以纳入量子测量的范畴。

  按照对量子特性的应用,量子测量又可以分为三个基本类别,即:基于量子能级、基于量子相干性、基于量子纠缠的三种量子测量技术。三种类别原理差异较大,技术成熟度也不尽相同

  二、基于量子能级和相干性测量技术相对成熟,逐步产品化

  基于量子能级的测量技术通过待测物理量与量子体系相互作用,改变量子体系的能级结构,通过对辐射谱的直接或间接探测实现对待测物理量的精密测量。技术相对成熟,已实现产业化,从20世纪50年代就逐步在原子钟等领域开始应用。但部分领域应用对实验条件要求比较严苛,依赖于对量子态的操控技术。

  基于量子相干性的测量技术主要利用量子的物质波特性,通过干涉法进行外部物理量的测量。技术相对成熟,精度较高,广泛应用于陀螺仪、重力仪、重力梯度仪等领域,但是系统体积通常较大,难以集成化。

  上述两种测量技术没有充分利用量子的纠缠、压缩等独特性质,目前技术较成熟,涉及面宽,涵盖了大部分量子测量场景,部分领域已经实现产品化。

  三、基于量子纠缠测量精度突破经典极限,核心技术有待突破

  基于量子纠缠的测量技术条件最为严苛,同时也最接近量子的本质,测量精度理论上可以突破经典测量技术的散粒噪声极限,达到自然物理原理所能达到的最根本限制——量子力学的海森堡极限,实现超高精度的测量。但是基于量子纠缠的量子测量技术研究还比较少,受制于量子纠缠态的制备和操控等关键技术的限制,目前仅停留在实验室研究阶段,距离产业化和实用化较远。

  四、欧美国家量子测量产业发展迅速,我国逐步发展、稳步推进

  鉴于量子测量技术涉及军事、民生、科研诸多领域,战略意义突出,各国竞相布局。欧美国家量子测量领域多为高校、研究机构、企业、军队、政府多方联合助力,共同推进技术发展和产业推广,实现研究成果落地和产品化。目前量子时钟源、量子磁力计、量子雷达、量子重力仪、量子陀螺、量子加速度计等领域均有成熟商用产品,用于军事、航天航空、医疗、能源、通信等领域。国内的研究多集中于高校和科研机构。从科研机构数量、科研投入、论文数量来看基本与欧美国家持平。从科研成果来看,部分领域与欧美国家仍有数量级上的差距,总体稳步推进。但是,与欧美国家相比,国内研究机构和行业企业之间的合作交流十分有限,缺乏沟通合作的平台与机制,成果转化和知识产权开发较为困难。目前国内已经产业化的领域多集中在原子钟领域。少数企业致力于量子雷达、量子态操控与读取等领域。

  从产业分析来看,量子测量产业市场收入将稳步增长。根据BCC Research的统计分析,全球量子测量市场收入由2018年的1.46亿美元增长到2019年的1.61亿美元,并预测未来5年年复合增长率将在13%左右。欧美国家,特别是北美地区量子测量产业收入最高,预计将继续主导收入份额。北美地区是先进技术的领导者和推动者,量子测量产业必将在此地区快速地扎根和发展。而亚太地区,特别是中国,有望为量子测量产业提供巨大的市场潜力。随着国内对车联网、物联网、远程医疗等技术的兴起,超高精度低成本的传感器、生物探针、导航器件等关键器件的需求量会呈指数增长,为量子测量产业提供了广阔的市场。

  五、我国量子测量领域发展仍需持续投入,多方助力

  量子测量领域具有巨大的发展潜力和广阔的市场前景,但是我国量子测量领域发展中还存在一些关键问题需要解决。首先,我国量子测量技术研究仍处于跟随阶段,与世界先进水平仍有数量级的差距,自主创新成果与欧美国家相比较少。部分关键器件的研发制造或性能指标尚未突破,仍依赖进口,如超稳窄线宽激光器、高性能光电检测器件等。建议增大这部分研发投入,尽快追赶欧美国家先进水平,鼓励自主创新。其次量子测量领域分支众多,不同领域技术方案多样且发展水平不均衡。建议梳理整个测量领域的发展现状,绘制整个领域的发展路线图和时间表,有重点、分阶段地持续进行投入,避免盲目重复投资和不良竞争。政府还需要提供公平透明的科技扶持政策和环境,实事求是,优胜劣汰。最后,量子测量在实际应用中,不同的应用场景对性能指标的要求不尽相同,需要完备的指标体系,不是简单地追求某一个性能参数的不断提升。理论研究应与实际应用、产业发展紧密结合,在追求性能指标提升的基础上,更加关注集成化、实用化。更重要的是产学研用多方助力,建立沟通合作的平台与机制,促进科研成果落地和知识产权开发。总之,广阔的市场前景必然会推动技术研究和产业市场的发展,但基于自主知识产权的先进技术支撑至关重要。


  作者信息:张萌,威斯尼斯人娛乐城v29技术与标准研究所工程师,主要从事分组传送网、时钟同步和量子信息技术研究。

  联系方式:zhangmeng@caict.ac.cn

  

  

  

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