2018-12-27 08:21

量子测量技术进展及发展建议

精密测量是人类探索自然的基本手段,提高测量精度一直是人类追求的目标,尤其在科学研究、国防建设等诸多领域有着重大意义。量子测量基于微观粒子量子态精密测量,完成被测系统物理量的执行变换和信息输出,在测试精度、灵敏度和稳定性等方面与传统测量技术相比具有明显优势。

一、量子测量战略意义突出,多国竞相战略布局

量子测量涵盖电磁场、重力应力、方向旋转等物理量,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。量子测量技术与传统产业的结合将产生全新技术变革,部分重点领域有望率先推广应用。以量子惯性导航、量子目标识别、量子重力测量、量子时间基准和量子磁场测量等为代表的一批新型量子测量领域,在国防建设和军事应用领域极具战略价值,受到世界各国政府和研究机构的重视,在解决工程化和实用化等问题后,有望在关系国家安全和国计民生的重点领域率先应用。

近年来,各国争相将量子测量纳入国家发展战略。美国一直以来高度重视量子信息技术的相关研究,将量子信息技术作为引领未来军事革命的颠覆性、战略性技术。2018年9月美国白宫科技政策办公室国家科学技术委员会发布的《量子信息科学国家战略概述》中提到: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。欧盟于2016年3月发布《量子宣言(草案)》,呼吁建立10亿欧元的量子技术旗舰计划,其中量子测量作为重要研究领域,计划在科学研究、产业推广、技术转化、人才培养等方面都给予重要支撑。英国在2015年发布的《英国量子技术路线图》中对原子钟、量子传感器、量子惯性导航和量子增强成像等技术领域可能的商业化时间和发展路线图进行了分析和研究,并且在《量子技术国家战略》中强调了量子领域基础研究、技术应用、人才培养和国际合作方面的发展战略。

我国在2016年的国家重点研发计划中设立“量子调控与量子信息”重点专项,将量子调控与量子信息技术纳入国家发展战略,并明确提出要在核心技术、材料、器件等方面突破瓶颈,实现量子相干和量子纠缠的长时间保持和高精度操控,并应用于量子精密测量等领域。将量子精密测量定为重点研究领域。国家重点研发计划“地球观测与导航”重点专项部署了“原子陀螺仪”、“空间量子成像技术”、“原子磁强计”和“芯片原子钟”等项目,也对量子精密测量技术的研究与发展提供了重要支持。

二、美国技术领先,我国取得一定成果,但与欧美仍有差距

美国政府一直致力于量子测量领域的产学研深化融合。近年来,麻省理工大学、斯坦福大学、普林斯顿大学等高等院校研究机构在量子测量领域取得大量原创性和突破性研究成果,如2010年普林斯顿大学报道了原子SERF磁力计实现0.16fT/Hz1/2的灵敏度,是目前世界上最高的磁场检测精度;2011年加州大学伯克利分校首次实现了超流体量子干涉陀螺仪;2016年美国国家标准与技术研究院实现了镱原子光频标稳定度突破1.6×10-18量级。研究成果中既包括量子测量技术本身,也包括低温物理学、光子学、低噪声微波放大器、纳米制造等支撑性原理技术。除此以外许多企业,如Northrop Grumman、Twinleaf、Honeywell、 Microchip等公司也在诸如量子惯性导航、量子时间基准领域实现小型化、集成化和商品化。如2013年Northrop Grumman公司实现体积为10cm3的小型化核磁共振陀螺仪。美国形成的产业界、学术界和政府之间的合作伙伴关系可以加速量子测量技术的研究和开发,并在此过程中解决科学和应用方面的重大挑战,促进技术成果转化。

我国在量子测量领域起步与美国相比较晚,但总体来说稳步发展。目前有多个研究机构开展研究,北航房建成院士团队、中科大杜江峰院士团队、中国电科陆军院士团队等都在量子测量领域取得了明显成果。从研究成果整体来看,有些领域与世界先进水平差距正逐步缩小,譬如国内报道的最高精度磁力计的灵敏度约为5fT/Hz1/2,最高精度的离子频标达到10-17量级,与世界先进水平的差距降低到一个数量级。但有些领域与欧美国家报道的技术水平相差很大,譬如量子纠缠雷达领域,2013年美国麻省理工就报道了原理样机,而国内目前的报道多为原理分析、理论模拟仿真、算法优化等方面的成果。

三、我国量子测量发展与应用面临挑战,需要多方联合助力

目前我国量子测量领域虽稳步发展,但是仍面临着诸多挑战,主要包括以下几方面:

1)系统工程化和实用化有待探索: 量子测量技术中,对于微观粒子进行精确的人工调控和状态检测,通常都会对调控和检测设备及其工作环境(温度、磁场、真空度等)提出较为苛刻的要求,使得量子测量设备在体积、功耗和集成度等方面面临诸多问题,难以工程化和实用化,并且对其应用推广形成了制约和影响。

2)产业化合作和推动力量有限:量子测量技术的研究和应用涉及面广,领域和技术背景差异大。对于量子测量技术研究和应用的项目投入很难做到兼顾多个领域的体系化和持续性的投入和支持。由于不同技术领域中的量子测量技术发展程度和应用前景各不相同,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存在困难。

3)技术成果的应用转化机制尚不成熟:我国量子测量技术的推广应用方面也存在一些困难和问题。科研项目通常采取发表论文考核和原理样机验证等方式进行考核验收,科研项目的资金支持和投入,与最终的实际工程化应用之间没有形成闭环,缺乏相应的激励评价机制和考核体系进行促进与保障。科研成果转化和工程化研究等方面只能依靠研究人员自身的市场化意识,缺乏体制机制保障和驱动力。

针对以上问题,需要政府、科研机构、行业企业联合助力攻关,共同促进量子测量技术和产业发展。国家层面明确战略部署和演进路线,同时为成果转化建立体制机制保障,重视人才培养和引进,促进科研机构和行业企业之间,以及不同领域之间的交流合作,为量子测量技术研究探索新型合作发展道路。

作者信息:

张萌,中国信息通信研究院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。

作者:张萌   来源:中国通信院
本评论 更新于:2019-1-16 7:27:24