量子测量技术发展蓝皮书2023.docx

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1、1量子测量概述11.1 基本概念11.2 发展历程11.3 战略意义与价值22量子测量发展现状42.1 国内外战略部署42.2 国内外研究成果112.3 国内外主要研究单位及成果222.4 国内外投融资情况353量子重力测量技术及应用373.1 量子重力测量技术373.2 量子重力测量应用464量子时间测量及应用494.1 量子时间测量技术494.2 量子时间测量应用565量子惯性测量技术及应用575.1 量子惯性导航测量技术575.2 量子惯性导航测量应用616量子磁场测量技术及应用626.1 量子磁场测量技术626.2 量子磁场测量应用677量子成像技术及应用727.1 量子成像技术727

2、.2 量子成像应用758量子测量技术未来发展趋势768.1 量子测量是个方兴未艾的科技领域768.2 量子测量是量子科技的关键核心板块788.3 量子测量还将持续取得新的突破788.4 量子测量有望成为量子技术发展的先导者79参考文献811量子测量概述1.1 基本概念量子测量是一种利用量子资源和效应，实现超越经典测量精度的技术，是原子物理、光学、电子、控制等多学科交叉融合的综合技术。该技术的实现主要通过对原子、离子、光子等微观粒子的量子态进行操控和测量读取，配合数据处理与转换，实现对频率、重力场、磁场等物理量的超高精度精密探测。简言之，外界的电磁场、温度、压力等物理量会改变原子、光子、声子等微

3、观粒子的量子态，人们可通过分析待测物理量变化导致的量子态改变来实现精密测量。与经典力学测量技术相比，量子测量的精度可以达到甚至超过海森堡极限，具有可溯源、精度高、效率高、准确性高、可抵抗一些特定噪声干扰等优势，可以广泛应用于导航定位、国防科技、地质勘测、医疗诊断、物理研究、自然资源等多种领域。1.2 发展历程20世纪初，第一次量子革命爆发，经典力学测量在微观层面被颠覆。经典测量系统认为物质都有一个确定的值，在测量开始前就已确定，不受测量工具和测量者的影响，但量子力学本质上的随机性彻底改变传统认知。在第一次量子革命中，人类虽对量子态的变化形成了认识，但从第一代量子科技革命的产物激光、晶体管、电荷

4、耦合器、磁共振成像等成果中可以看出，当时的研究思路主要还是基于量子技术本身的特性展开，尚未发展到对量子态进行控制的程度。21世纪至今迎来第二次量子科技浪潮，人类终于掌握了对单个原子、单个电子、单个光子的独特量子属性进行调控与检测的技术，量子科技也发展出量子通信、量子计算、量子测量三大技术板块。最初，由于量子测量技术包含多个细分领域，与量子计算和量子通信较为集中的领域相比，显得更为分散，因此关注度较量子计算和量子通信低。但随着市场对量子科技的技术稳定性、商业化应用等需求的逐步提升，量子测量优势逐步展现，精密测量技术快速发展，测量精度突破经典技术极限，推动国际计量单位7个基本物理量实现“量子化”，

5、推动物理基础研究进入量子时代。同时，精密测量商业化产品稳步推出，相较量子计算和量子通信是最早产业化运用的领域，未来量子测量有望引领量子技术开启新一代产业革命。1.3 战略意义与价值从全球来看，量子科技是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，量子测量技术更被认为是将引领新一代产业革命的重要技术。目前在量子领域，全世界都还处在发展阶段，哪个国家能够抢先领跑，其生产力就有可能高于其他国家，从而掌握主动权、取得发展优势，这也是各个国家积极部署量子相关政策的主要原因。而在整个量子科技领域，目前最接近实用化和产业化的就是量子测量，因此把握住量子测量的发展先机，下好量子测量的“先手棋”是

6、获取发展优势的重要一步。从我国来看，量子发展布局已上升到国家层面，近年来政策频发，都将量子科技的发展视为重点突破领域。中共中央总书记习近平同志深刻指出，要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋。我国的量子科技学术研究工作起步并不算晚，量子信息领域的研究起步较早经过二十余年的发展，已经具备强劲的国际竞争力。在量子计算方面紧跟国际前沿，在实现量子计算的主流体系和架构方面都有明确布局；在量子传感与量子精密测量方面，尤其是在量子时钟、量子成像、量子惯性测量方面都己取得了一系列突破性进展，接近国际领先水平。学术研究的成功是我国量子发展的重要基

7、石，真正产业化应用赋能干行百业是学术基石建设后的重要一步。目前量子测量产品均处于国外禁售禁运状态，正在逐步形成国际技术封锁，针对这类“卡脖子”技术和产品，国际上科技竞争激烈程度不难想象，一旦失去自主研发量子测量技术和商业化设备的能力，不仅失去量子领域发展优势，国内众多量子测量应用场景下的产业能力也同步被影响，将出现多产业落后的情况，关注量子技术发展，推动可产业化产品的快速形成，打破国外垄断是我国势在必行的关键一步。对湖南地区而言，重点高校资源环绕，成果转化单位逐渐成型，后备人才储备丰富，政策重点支持，这些都为量子测量技术的建设提供坚实基础。从技术基础来看，国防科技大学前瞻布局量子测量技术，已完

8、成量子信息湖南省重点实验室建设，研制了重力仪产品并率先完成车载测试试验，被欧盟研究报告列为重点关注对象。2020年攻克了量子传感芯片关键技术，成果发表在国际顶级期刊SCienCe子刊，被评价为“使量子技术更小的突破”。2021年研制的高精度绝对重力仪同美国高精度重力仪比对，准确度差异小于高精度基准仪器不确定范围以内，是一项具有全球影响力的科技重大成果。针对国际上同类产品禁运的情况，该成果的研制解决了“卡脖子”关键技术问题，实现了自主可控。湖南师范大学量子研究成果同样卓越，拥有1个教育部重点实验室（低维量子结构与调控实验室），在量子相干性及其调控、量子结构制备自组装与量子输运、微纳系统的结构探测

9、与成像、表面界面与光电转换材料方向等方面取得优异成绩。首次提出运用合成磁场方法来操控暗模效应，从而制备对暗模和热噪声免疫的光力纠缠。发现在热声子数达到500以上仍然存在光力量子纠缠，为增强和保护脆弱的量子资源免受热噪声和暗模的影响提供了手段。联合波兰高校提出一种利用矢量光在正交模式之间产生光力（宏观-微观）纠缠相干转换的新方案，揭示了利用光的偏振自由度调控宏观量子相干效应的物理机制，为宏观量子纠缠相干调控的研究提供了重要基础。独立研发提出一种采用旋转腔技术在级联光力系统中实现两个空间分离力学振子之间的非互易远程纠缠的新方案，该方案为探索长距离、非共振宏观物体之间的非经典量子关联特性提供了一种方

10、便、可靠的新途径，有望在量子计算、量子通信以及量子传感等各种新兴量子信息技术方面获得应用。从成果转化基础来看，近年来国防科技大学牵头建设的测控与导航技术国家地方联合工程研究中心，在湖南省科技厅的支持下，国地中心牵头开展了系列量子测量科技成果的孵化转化，其中就涵盖了量子测量、自主导航、空间仪器等13项技术成果。从人才培养和储备来看，湖南省已有一批在精密测量方面有专业研究基础的专家团队，他们始终聚焦走向市场应用的量子测量技术研究，在量子绝对重力测量、量子相干性及其调控、容噪量子网络设计等方面进行了较为深入的跟踪研究，掌握了冷原子干涉测量机理、原子干涉信号检测、重力信号提取、非互易光力纠缠、利用光的

11、偏振自由度调控宏观量子相干效应、量子暗态操控等关键技术，能够满足当下湖南省量子精密测量发展研究的重点需求。除现有人才梯队外，国防科技大学、湖南师范大学、中南大学等重点高校也都逐步形成非常健全的量子人才培养体系，部分高校还建设有科教融合协同创新的育人平台，利用量子效应及应用协同创新中心的协同创新机制，突破地方高校培养资源整合缺失的难题，建立了充足的量子储备人才梯队。从科研平台基础条件来看，测控与导航技术国家地方联合工程研究中心，是由国家发改委2016年10月批复成立的中南地区唯一一个测控导航领域国家级创新平台，主要围绕建立创新开放的测控与导航仪器工程技术研发与应用生态平台，搭建高校科技创新成果转

12、化桥梁与纽带，构建具有国内领先水平的科技成果转化高地，具有良好的科研支撑条件。从政策上来看，湖南一直大力支持量子技术发展，先后发布的湖南省计量事业“十四五”发展规划和二O三五年远景目标、湖南省人民政府关于推进计量事业高质量发展的实施意见、关于加快建设现代化产业体系的指导意见等若干政策中都提及重点部署量子测量相关研究项目，以快速推进量子测量技术的发展。综合分析来看，湖南地区在量子测量领域具备了技术、人才、平台和政策等多方面的支持，并且已经成功地将实验设备转化为商用产品，这有望填补湖南在量子测量产业领域的空白，并为湖南在量子行业中发挥引领作用提供有力的先手优势。因此，湖南在未来的发展中应该充分把握

13、这些优势，扩展技术能力，带动整个产业的蓬勃发展。2量子测量发展现状2.1 国内外战略部署量子测量技术的研究已经在多个国家开展，北美及亚洲的发展尤为快速，在美国及加拿大等为代表的国家相继发布的量子技术相关战略政策中，都把量子测量技术提升至“主要研究”或“重点突破”的地位，甚至升级到了国家战略层面。从部分文献还可看出，美、加两国在量子测量领域的研究合作非常密切，部分还会投入专项资金用于量子测量研究机构的成立，促进量子测量研发和产业发展，可见其对量子测量技术及其产业化的关注。在我国，量子测量领域较早得到关注，早在2016年我国发布的量子调控与量子信息重点专项中就将量子测量技术定位主要研究方向，随着量

14、子传感器等领域“卡脖子”风险问题的存在，我国还在逐渐加强量子精密测量领域的发展。以北京、湖南、湖北为代表的各省市也作出量子测量技术相关政策的布局。不难看出，区域政策支持方向与当地高校、科研机构研究方向存在一致性，依托本地优势科研资源，出台配套支持政策是省市快速推动量子测量产业发展的一种重要手段。2.1.1 国外战略部署国家时间文件名称相关内容美国2023.11国家量子倡议再授权法案草案提到授权美国国家标准与技术研究院(NlST)建立最多三个科学中心，以推进量子传感、测量和工程方面的研究。2022.03将量子传感器付诸实践全球首个量子测量独立战略计划报告，重点讲解过去美国量子测量技术中原子钟、原

15、子干涉仪、光泵磁力计等技术及其应用的发展，并进一步明确将促进量子精密测量相关产业实现应用落地，将量子传感器作为未来1-8年美国信息科学的国家战略。2021.09量子飞跃挑战计划美国国家科学基金会(NSF)宣布再成立两个新的“量子飞跃挑战研究所”，以推进量子生物传感技术和量子模拟研究。2020.10量子前沿报告提及精密测量以及传感器的应用是量子发展的重点领域。2018.12国家量子倡议(NQI)法案该法案旨在确保美国在量子科学领域继续处于领先地位，涉及的革命性技术包括量子计算机、量子网络和量子传感器。2018.09量子信息科学国家战略概述提到量子测量有望为军事任务提供先进的传感器，发展新的测量科学和量子基准，改善导航和定时技术。2016.02与基础科学、量子信息科学和计算交汇的量子传感器该报告重点提到量子传感是量子技术的重要模块并提及多个量子测量相关的前沿方向，包括：1、广泛应用于物理和生命科学的固态量子传感器；2、量子传感器探测超出标准模型的物理；3、用于增强量子传感器的先进材料；4、用于暗扇区物理的量子传感器；5、基于原子干涉测量和光学原子钟的精密时空传感器。2014.05MiCro-PNT计划国防部高级研究计划局(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，重点研究和发展无源定位导航技术。美国