新華社北京10月13日電科普｜快步走向實用的量子傳感技術
新華社記者孫晶胡丹丹

今年8月，美國波音公司完成全球首個“多量子傳感器”飛行測試，使飛機能夠在不使用GPS衛(wèi)星導航的情況下完成飛行。這使基于量子傳感技術的量子導航進入大眾視野。

業(yè)界人士指出，量子傳感技術正以其在提升精確度和可靠性方面的優(yōu)勢，迅速成為全球科技創(chuàng)新的前沿領域，在精密導航、工業(yè)測量等多個領域帶來革命性變化，成為各國投入研究和開發(fā)應用的重點。

那么，什么是量子傳感技術，它的原理是什么？其發(fā)展和應用前景又如何？

無需衛(wèi)星也能導航

量子技術的應用除了人們熟悉的量子計算、量子通信以外，還有量子傳感——利用量子系統(tǒng)、量子特性或量子現(xiàn)象來測量物理量。用于定位、導航和定時的磁場或重力場測量就是量子傳感技術的應用例子。

對于利用量子傳感進行測量和導航的原理，中國科學技術大學物理學院教授孫方穩(wěn)說：“電場、磁場力等外界環(huán)境都會改變量子態(tài)，我們對改變后的量子態(tài)進行測量就可以反推出長度、質量和時間等物理量。量子導航就是用一些特有的地圖配合特定的傳感器來實現(xiàn)導航應用。各地的磁場、重力加速度都不一樣，理論上我們可以繪制磁場地圖、重力加速度地圖，用不同的量子傳感器來測量，就可以實現(xiàn)量子導航?！?br />
在波音“多量子傳感器”飛行測試中，量子磁力儀由“沙箱”人工智能和量子技術公司（簡稱“沙箱”公司）開發(fā)。該公司宣布將進一步開發(fā)其AQNav磁導航系統(tǒng)。“沙箱”公司董事長、谷歌公司前首席執(zhí)行官埃里克·施密特介紹說，該系統(tǒng)依賴敏感的量子磁力儀，從地磁場中收集數(shù)據(jù)。地磁場表現(xiàn)出地理上獨特的模式，類似于人類的指紋。該系統(tǒng)再使用人工智能算法將地殼模式與已知的磁場地圖進行比較，從而準確快速地確定平臺位置。

大國科技戰(zhàn)略重點

新一輪國際競爭中，量子傳感技術的重要性不言而喻，美、英、法、德及日本都已將其列入國家戰(zhàn)略。量子傳感技術與國防和安全利益高度相關，這一領域的研發(fā)可以看到歐美國防、航天等機構深度介入。與此同時，多家私營企業(yè)正在進行量子傳感技術的商業(yè)化并取得成果。

今年5月，英國科學、創(chuàng)新和技術部宣布，由量子技術企業(yè)Infleqtion、QinetiQ研究實驗室和防務巨頭貝宜系統(tǒng)公司組成的研發(fā)團隊，已在飛機上成功演示了基于量子的慣性導航系統(tǒng)。這是全球首次公開展示此類技術的飛行演示，標志著量子導航技術向實際應用邁出了重要一步。

這一測試是英國國家量子戰(zhàn)略“任務4”的一部分，該戰(zhàn)略的目標是到2030年在飛機上部署量子導航系統(tǒng)。2023年，英國海軍已成功進行了一次量子導航系統(tǒng)測試，該系統(tǒng)使一艘船能夠在沒有GPS的情況下知道其在世界任何地方的精確位置。

業(yè)界人士表示，在量子技術的各種應用中，量子傳感器目前最接近實用，也是大國競相研究的目標，這給中國在量子傳感技術產(chǎn)業(yè)化研發(fā)帶來啟迪與思考。


中國展現(xiàn)發(fā)展?jié)摿?/strong>

在全球技術競賽中，中國展現(xiàn)出強勁的創(chuàng)新能力和發(fā)展?jié)摿Α＝陙?，中國在量子傳感的精度和應用廣度上取得了顯著進展：已實現(xiàn)高精度原子鐘的自主研發(fā)，成為世界上少數(shù)可以自行研發(fā)并制造原子鐘的國家；自主研發(fā)的原子重力儀主要性能參數(shù)國際領先；還完成了量子雷達的原型機研發(fā)。

國務院此前發(fā)布《計量發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》提出，“重點開展量子精密測量和傳感器件制備集成技術、量子傳感測量技術研究”，并多次提到量子傳感技術的研究重要性。目前，中國量子傳感器研發(fā)主要集中于大型國家機構、高校等。

在談到如何通過產(chǎn)學研一體化加速量子傳感落地應用時，孫方穩(wěn)說：“量子傳感從實驗室階段到應用環(huán)節(jié)再到產(chǎn)業(yè)化是有一段路要走的，各個環(huán)節(jié)都要發(fā)揮各自優(yōu)勢，同時相互配合協(xié)同發(fā)力。頭部科研院所應更加聚焦基礎研究，這個環(huán)節(jié)上必須自力更生，沒有捷徑可走；行業(yè)學會、工科院?？梢悦芮嘘P注基礎研究成果如何與行業(yè)、教學實際相結合，主動向頭部單位提出合作需求，從而真正提高從實驗室到應用落地的速度；最后是產(chǎn)業(yè)端要加大力度將可實現(xiàn)落地的應用加速產(chǎn)品化，加快推向市場。”

安徽省國盛量子科技有限公司董事長趙博文認為，量子傳感技術有廣泛發(fā)展空間。在落地方面，首先應該是進一步推動量子傳感產(chǎn)品向小型化、集成化發(fā)展，讓量子傳感技術能應用到更多的場景中；其次可以按照行業(yè)的具體需求，專注于生產(chǎn)專業(yè)性的量子傳感產(chǎn)品；最后隨著國內工業(yè)水平精度的不斷提高，要做好產(chǎn)品迭代，適應并服務于新質生產(chǎn)力發(fā)展。