量子测量定义、技术方案、发展现状及产业链分析

量子精密测量旨在利用量子资源和效应，实现超越经典方法的测量精度，是原子物 理、物理光学、电子技术、控制技术等多学科交叉融合的综合技术。

基本原理：外界的 电磁场、温度、压力等物理量因素会改变电子、光子、声子等微观粒子的量子态，对这 些变化后的量子态进行测量，从而实现对外界物理量的测量。 量子测量通过对原子、离子和光子等微观粒子体系及其中量子态的制备、调控和观 测，实现对外界物理量变化更加准确、精细和可靠的测量与探测。量子测量典型技术方 案包括冷原子干涉、核磁/顺磁共振、金刚石色心、无自旋交换弛豫原子自旋(SERF)、量 子纠缠或压缩增强探测等;被测物理量包括频率、时间、重力场、加速度、角速度、磁场、 电场、温度、物质痕量等;

应用场景涉及基础科研、国防军工、航空航天、定位导航、环 境监测、生物医疗、资源勘测等众多行业领域。量子测量不仅可以带来测量精度、灵敏 度等关键指标的数量级提升，还可以基于微观粒子系统的独特优势，在测量可靠性和空 间分辨率等方面提供全新测量传感方案和应用。 量子计算机和量子通信被广泛认为是最有前途的量子应用，但技术研发进展较慢， 其中主要原因之一是源自量子系统的弱点——它们对外部干扰的强烈敏感性。量子精密 测量便是利用这核心弱点，实现对外部某些物理量的测量，也是近年来量子信息技术的 新兴应用定义。

量子测量产业链形成，规模化商用仍有挑战。 在量子信息三大领域中，量子测量具有技术方向多元、应用场景丰富、产业化前景 明确的特点。量子测量各技术方向的发展成熟度有较大差异，既有原子钟、原子重力仪 等已成熟商用产品，也有量子磁力计、光量子雷达和量子陀螺等处于工程化研发和应用 探索阶段的样机产品，还有量子关联成像、里德堡原子天线等尚处于系统技术攻关的原 型机。

量子测量产业链上游主要是系统研发所需的基础材料、元器件和支撑系统提供商。基础材料包括高纯度同位素材料、金刚石、性气体等;元器件主要包括激光器、原子气室、 光学系统元器件、电子元器件、线缆等;支撑系统主要包括磁屏蔽、真空、低温、隔振等 环境保障;量子测量上游厂商在欧美集中度较高。目前量子测量技术路线多元，所需上游 材料、器件差异性大，给上游整合和优化带来挑战。

量子测量产业链中游包含各种技术方向的系统设备提供商。目前可以商用的量子测 量设备产品包括量子时钟、量子重力仪、量子磁力计及其衍生产品、光量子雷达等。 冷原子钟多用于计量、授时、基础科研等场景，同时其设备结构复杂、体积庞大， 产业化程度较低。热原子钟已经广泛应用于通信、电力、卫星导航等领域，成熟度和商 业化成熟度最高。 分子钟是近年来提出的一种新型量子时钟，利用惰性气体的振动谱特性，有望实现 千秒稳 10-1~10-13 量级，纯电学元件驱动，无需光学器件和恒温加热系统，对磁场不 敏感，易实现芯片化，未来应用前景广阔。 量子重力仪目前已实现集成化、可移动、自动化控制，未来还需要实现小型化和降 低成本。

量子磁力计近年来发展迅速，也随之衍生出一系列新型测量传感设备，如脑磁图仪、 心磁图仪、量子扫描显微镜、量子电流互感器等，商业化成熟度方面正在快速提升。 量子雷达主要分为两种，一种是基于单光子探测的光量子雷达，另一种是基于量子 纠缠、压缩等原理的量子干涉雷达、量子照明雷达和量子增强雷达。前者已经实现商用, 后者仍处于原理验证阶段。 光量子雷达在环境监测、道路交通、气象测绘等诸多领域具有广阔的应用前景，市场驱动力较大。其他量子测量产品如量子惯性导航系统和原子天线等，在国防军工等领 域有重要战略价值，但是产品成熟度还有待提升。

量子测量产业下游涉及基础科研、国防军工、生物医疗、能源开发、工业制造、资 源勘探、环境监测等诸多领域。当前量子测量技术产品已经成为传统传感测量领域的有 效补充和增强技术方案，未来随着样机产品性能指标、工程化水平和体积成本的进一步 优化，有望成为超越现有传感测量手段的下一代技术方案演进方向。 大多数量子测量技术仍主要处于实验室研发和原型机攻关阶段，如何走出实验室， 在工程化应用场景中实现落地样机整体能力指标如何满足实际场景中全方位应用需求， 仍是需要产业界和学术界开展协同推动并突破的科技成果转化瓶颈。