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2024年量子精密測(cè)量產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 國(guó)盾量子    2024-06-12

（1）量子精密測(cè)量簡(jiǎn)介

量子精密測(cè)量基于對(duì)光子和冷原子等微觀粒子系統(tǒng)的調(diào)控和觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間、位置、加速度、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等多種物理量信息的超高精度測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)物理量測(cè)量和信息獲取的精度、分辨率、穩(wěn)定度等性能指標(biāo)的進(jìn)一步提升，應(yīng)用場(chǎng)景豐富、產(chǎn)業(yè)化前景明確。

量子精密測(cè)量的基本原理是：外界的電磁場(chǎng)、溫度、壓力等物理量因素會(huì)改變電子、光子、聲子等微觀粒子的量子態(tài)，對(duì)這些變化后的量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理量的測(cè)量。早期量子測(cè)量技術(shù)通常利用能級(jí)躍遷、光電效應(yīng)等量子力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)物理量探測(cè)，但對(duì)微觀粒子的調(diào)控和觀測(cè)能力還較為有限。

近年來(lái)，量子測(cè)量技術(shù)主要研究關(guān)注提升測(cè)量性能指標(biāo)，進(jìn)一步挑戰(zhàn)測(cè)量精度記錄和突破經(jīng)典測(cè)量極限；推進(jìn)樣機(jī)系統(tǒng)工程化，進(jìn)一步開(kāi)展小型化、芯片化和可移動(dòng)化研發(fā)，增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)用性，高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)于量子測(cè)量科研成果的商業(yè)轉(zhuǎn)化支持力度正逐步增大。

隨著量子科技的不斷發(fā)展以及對(duì)微觀粒子系統(tǒng)認(rèn)識(shí)和測(cè)控能力不斷提升，大量新型量子測(cè)量技術(shù)和產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，量子精密測(cè)量已成為量子信息領(lǐng)域技術(shù)方向多元、應(yīng)用場(chǎng)景豐富和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速的代表。

（2）量子精密測(cè)量發(fā)展概況

量子精密測(cè)量不僅可以帶來(lái)測(cè)量精度、靈敏度等關(guān)鍵指標(biāo)的數(shù)量級(jí)提升，還可以基于微觀粒子系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在測(cè)量可靠性和空間分辨率等方面提供全新測(cè)量傳感方案和應(yīng)用。量子精密測(cè)量相關(guān)的研究已在全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)展開(kāi)，主要發(fā)展地區(qū)集中在北美洲、歐洲和亞洲，涉及美國(guó)、加拿大、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、日本、中國(guó)，這些國(guó)家同時(shí)也是量子計(jì)算和量子通信的主要技術(shù)國(guó)，在國(guó)家量子精密測(cè)量戰(zhàn)略政策的廣度、深度和國(guó)家支持力度均較為突出。

北美在全球各大洲中量子精密測(cè)量領(lǐng)域整體技術(shù)實(shí)力最強(qiáng)的地區(qū)，主要研究國(guó)是美國(guó)和加拿大。其中，美國(guó)在 2022 年 4 月發(fā)布量子傳感器戰(zhàn)略政策——Bringing Quantum Sensors Fruition（將量子傳感器付諸實(shí)踐），這是首次有國(guó)家針對(duì)量子精密測(cè)量這一領(lǐng)域發(fā)布獨(dú)立戰(zhàn)略計(jì)劃報(bào)告。歐洲量子精密測(cè)量領(lǐng)域技術(shù)實(shí)力最強(qiáng)的是英國(guó)、德國(guó)和法國(guó)，同時(shí)，瑞士、奧地利、丹麥等國(guó)也不同程度的參與了量子精密測(cè)量研究。

亞洲國(guó)家中，日本在光技術(shù)、機(jī)電工程、儀器設(shè)備等領(lǐng)域積累深厚，為其發(fā)展量子精密測(cè)量提供了良好積淀；中國(guó)從國(guó)家戰(zhàn)略層面提出加強(qiáng)計(jì)量基礎(chǔ)和前沿技術(shù)研究，逐漸加強(qiáng)量子精密測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展。

目前，中國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等已在不同程度、不同技術(shù)領(lǐng)域提高對(duì)量子精密測(cè)量領(lǐng)域的重視度，未來(lái)，將可能隨著技術(shù)進(jìn)步，發(fā)展路線清晰化，發(fā)布單獨(dú)的計(jì)劃，更加詳細(xì)的指出未來(lái)戰(zhàn)略發(fā)展方向。

近年來(lái)，量子精密測(cè)量領(lǐng)域科研成果亮點(diǎn)紛呈，在時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)方面，我國(guó)研制的高精度光鐘，其穩(wěn)定度和不確定度已進(jìn)入 10–18 量級(jí)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但性能指標(biāo)仍然落后國(guó)際上最優(yōu)水平 1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)。

2022 年，我國(guó)首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)百公里級(jí)的自由空間高精度時(shí)間頻率傳遞實(shí)驗(yàn)，時(shí)間傳遞穩(wěn)定度達(dá)到飛秒量級(jí)，頻率傳遞萬(wàn)秒穩(wěn)定度優(yōu)于 4×10–19，達(dá)到國(guó)際最優(yōu)水平。在量子導(dǎo)航方面，我國(guó)研制成功的原子自旋陀螺原理樣機(jī)，指標(biāo)與國(guó)外公開(kāi)報(bào)道的最高指標(biāo)相當(dāng)；可移動(dòng)原子重力儀精度已接近國(guó)際一流水平，小型移動(dòng)式冷原子重力儀達(dá)到了目前國(guó)際上野外連續(xù)重力觀測(cè)的最好水平。在單量子靈敏探測(cè)方向，我國(guó)研究人員在磁場(chǎng)探測(cè)、量子激光雷達(dá)、痕量原子示蹤、單分子表征等若干方向上達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先或先進(jìn)水平。

目前，量子精密測(cè)量領(lǐng)域呈現(xiàn)多樣性和分散性，發(fā)展路線多元化，但要達(dá)到實(shí)用化仍需要克服許多技術(shù)難題和挑戰(zhàn)，如量子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性、環(huán)境噪聲和干擾、測(cè)量設(shè)備的精度和靈敏度等。未來(lái)，量子精密測(cè)量將進(jìn)一步以技術(shù)創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)完善和市場(chǎng)擴(kuò)展為主導(dǎo)，合作推動(dòng)技術(shù)實(shí)用化，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)向成熟和商業(yè)化邁進(jìn)。

隨著技術(shù)的不斷成熟，量子精密測(cè)量在計(jì)量、成像、科研等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，例如，航空交通管制雷達(dá)、無(wú)衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域?qū)τ诟呔葴y(cè)量的需求逐漸增大，量子精密測(cè)量技術(shù)將在這些領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用，而在深海探測(cè)、電池改良、智能駕駛等領(lǐng)域，量子精密測(cè)量的高靈敏度和高精度將成為技術(shù)突破的助推器，為產(chǎn)業(yè)的不斷升級(jí)提供動(dòng)力。

據(jù)國(guó)際科技咨詢機(jī)構(gòu) ICV 預(yù)計(jì)，全球量子精密測(cè)量市場(chǎng)將從 2023 年的 14.7 億美元增長(zhǎng)到 2035 年的 39.0 億美元，呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì)，年復(fù)合增長(zhǎng)率為 7.79%。

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