量子精密测量研究与应用进展如何？

新技术方案不断涌现，基础前沿研究亮点纷呈。

量子精密测量具有技术方案多元、应用场景广泛、战略价值突出等特点，其核心优势在于开发和利用量子叠加、量子纠缠和量子非经典关联等新颖量子物理特性，指数级提升传感测量方法的精度、灵敏度和分辨率等关键指标。量子精密测量系统通过对原子、离子、光子等微观粒子体系中的量子态进行制备、调控与观测，实现对外部物理量变化的更精确、更可靠且可溯源的测量与传感。量子精密测量主要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）以及借助量子纠缠或压缩效应增强的探测等。可实现传感测量的物理量种类繁多，如频率、时间、重力场、加速度、角速度、磁场、电场、温度乃至物质痕量检测等。量子精密测量技术应用场景覆盖基础科研、国防军工、航空航天、定位导航、环境监测、生物医疗及资源勘探等众多行业领域。

量子精密测量领域不同技术方案与传感测量产品的技术成熟度各异。微波原子钟等量子时频基准产品已在秒定义、世界协调时、卫星定位导航等领域广泛应用，新一代光学原子钟、核钟研究蓬勃发展，有望进一步提升时间频率计量精度。原子干涉磁力仪和重力仪等已有样机产品，在心/脑磁医疗检测、地质资源勘测等领域开展示范应用。量子陀螺仪和加速度计组成量子惯性导航系统，里德堡原子天线电场测量系统和量子雷达等技术，未来有望在国防军工领域带来自主定位导航、战场态势感知等方面带来改变游戏规则式的颠覆性应用。除上述业界关注度较高的技术产品外，近年来新型量子精密测量技术方案和应用场景研究成果也不断涌现。

基于量子纠缠测量方案可突破经典方法性能极限。2023年11月，俄勒冈大学报道128量子纠缠干涉成像技术新方案，通过联合测量确定模拟热光源的空间分布，证明量子纠缠在成像领域的应用潜力。12 月，韩国标准科学研究院报道129基于纠缠光源实现了量子光学诱导相干断层扫描（QICT），重构由蓝宝石、硅和玻璃板制成的参考样品的深度分布图。2024 年 3 月，英国格拉斯哥大学提出130基于量子纠缠的量子辅助自适应光学成像技术，成像清晰度提高20.52%。 新材料、新原理、新效应进一步拓展量子精密测量技术方案边界。2024 年 4 月，德国维尔茨堡大学基于量子反常霍尔效应提出了新型量子电阻标准131，提高电阻测量的准确性，无需任何外部磁场，有望改进现有计量标准。7 月，韩国基础科学研究所、德国于利希研究中心联合团队利用含羰基有机共轭分子实现了原子尺度的电场/ 磁场传感器132，与扫描隧道显微镜相结合有望实现对原子、分子和纳米结构成像。8 月，悉尼理工大学开发基于六角形氮化硼（HBN）的二维量子传感芯片133，可同时探测温度异常和任意方向磁场，有望实现更廉价更通用的量子传感器。深圳量子院与中科大等合作利用玻色模式光子数滤波器量子控制方法，在高品质因子超导微波谐振腔中成功制备高达 100 个光子的 Fork 态，实现对微波电磁场的微小位移或相移变化的高灵敏度探测，测量精度增益超越标准量子极限高达 14.8dB，逼近海森堡极限134。9 月，英国格拉斯哥大学等联合团队利用掺杂五烯烃演示室温下相关自旋控制135，有望实现室温量子传感和成像。

量子精密测量技术发展推动基础科学研究探索。量子精密测量可用于探测宇宙中的基本常数变化、检验量子力学的基本原理、研究量子力学与广义相对论的统一理论、探索宇宙的起源和演化等。2024 年 4 月，北京大学报道136利用相距 1700 公里的电磁屏蔽屋内的磁力仪对暗光子进行探测，通过构造长基线量子传感器网络提高暗物质搜寻的灵敏度。7 月，美国费米国家实验室和芝加哥大学联合团队利用超导量子位来制备非经典 Fork 态的超导微波腔，激发暗物质波发射光子，成功将暗物质探测的扫描速率提高2.78 倍137。8月，美国史蒂文斯理工学院和瑞典斯德哥尔摩大学联合团队提出利用量子传感器探测单个引力子的新方法138，通过观测量子跳跃（quantumjump）现象，可推断引力子的吸收。我国“超高灵敏极弱磁场与惯性测量装置项目”国家重大科技基础设施本体计划于2024 年12月开工，2029 年建设完成，包括 1 个大型“零磁”空间、三类9种科学装置与仪器、三类高性能磁屏蔽舱，建成后将有效推动我国磁异常探测、深空磁探测、心脑磁成像等领域基础科学研究139。

量子精密测量技术在航空航天、国防军工等领域应用的战略价值突出，在欧美发达国家备受重视。政府部门通过科技项目支持、政府合同赠予、技术产品采购等方式，成为推动量子精密测量技术发展、产品熟化和应用落地的重要支持者和首批用户。美国能源部发布小企业创新研究计划（SBIR），设置多个量子精密测量项目140，资助初创企业开展相关技术研发和产品转化。芯片级量子定位、导航和授时（PNT）传感器企业Mesaquantum获得190万美金为美国空军开发小型化原子钟。量子器件设计软件企业QuanCAD 获得资助为美国航空航天局（NASA）开发用于探测行星上水源的量子传感器。单光子探测器企业Amethyst Research获得165万美元资助开发用于量子成像和传感的超高性能红外探测器。光学测量设备企业 Mesa Photonics 获得 165 万美元资助开发用于生物成像的量子增强传感器。超导量子干涉仪企业STAR Cryoelectronics 获得 20 万美元资助开发基于钽材料超导体的量子传感器，通过在极低温度下工作来提供极高的能量分辨率，可用于研究宇宙基本粒子。美国国家科学基金会设立五个国家量子虚拟实验室（NQVL）141，其中量子传感与成像实验室（Q-SAIL）旨在开发基于二维俘获离子阵列的量子传感器，推动在频率计量、信息通信、定位导航及生物医疗等领域应用。美国 DARPA 资助军用级原型量子激光器的开发，通过将光粒子对纠缠产生由两种不同波长组成的相干激光束，每秒发送一百万个纠缠光子对，提升各类应用场景中的稳定性和可靠性。

英国科学、创新和技术部（DSIT）设立量子催化剂（QuantumCatalyst）基金142，投资 1500 万英镑，三家量子精密测量企业获项目支持。量子磁力计企业 Cerca 进行量子脑磁扫描仪的开发，用于癫痫和痴呆症等疾病诊断；非侵入式铁路轨道监控传感器企业Monirail 开发火车智能导航系统，利用量子传感器提高隧道行使安全性；量子重力仪企业 DeltaG 基于重力梯度传感器技术开发半自主监测系统，对城市地下基础设施进行扫描，发现地质结构潜在危险。加拿大国防部设立国防卓越与安全创新（IDEaS）项目143，对量子精密测量与量子传感领域初创企业给予支持，资助量子增强导航、微波量子雷达、用于卓越态势感知的量子增强仪器、芯片上中红外量子传感器和用于 PNT 和地球观测的增强量子时钟和惯性传感器等五个项目，每个项目将获得 300 万加元的启动资金。量子精密测量领域的多项技术产品具有军民两用特点。时间频率、电磁场、重力场等关键信息测量，以及目标探测识别和自主惯性导航等核心能力，对于战场态势感知和运载平台测控等方面具有重要价值。

欧美防务机构和企业积极组织开展量子精密测量技术应用试验验证。2023 年 12 月，美国陆军与 Rydberg Technologies 公司合作，首次利用原子量子接收器实现了远距离无线电通信，有望助力构建新兴防干扰、防黑客通信能力144。2024 年5 月，英国DSIT宣布在飞机平台成功演示了基于量子技术的惯性导航系统145，标志着量子惯性导航技术向实际应用迈出重要一步，并计划于2025 年与英国海军合作在舰船平台对量子-经典混合导航系统进行海上实验。6月，美国 SandboxAQ 公司推出 AQNav146，将量子精密测量和人工智能（AI）结合打造商业级实时地磁辅助导航系统，可在卫星定位导航失效时，实现空中、陆地和海洋等环境自主导航。AQNav 系统已在四种不同类型飞机累计实验超过 200 小时，支持40 余次飞行任务。

量子频率基准已成为时间频率计量领域的“定海神针”。1967年，第 13 届国际计量大会通过了采用铯原子跃迁频率来定义秒的决议，即以铯-133 原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9,192,631,770 个周期持续时间为 1 秒。从此，时频计量开启了“量子时代”。经过近 60 年的发展，以铯原子钟等为代表的微波原子时频基准已成为支撑信息社会运行的重要底座。近十年来，以光晶格钟等为代表的光学原子时频基准技术发展迅速，将进一步提升时间频率测量与计量精确度，成为新一代时频基准的重要发展方向。光学频率基准相较于现有微波频率基准具有显著优势。光学频率标准的工作频率范围远高于微波频率标准，使得其频率稳定度的大幅提升以及频率不确定度的显著降低。近年来，光钟研究发展迅速得益于多项核心技术的突破，离子协同冷却技术实现了对离子的高效操控与稳定，离子态的量子逻辑探测技术提升了量子态检测的精度与效率，光晶格囚禁原子技术为原子提供了更为精确与稳定的控制环境，光晶格魔术波长技术进一步优化了原子的囚禁状态，超稳光学腔与超稳激光技术融合应用确保了光学系统的长期稳定性，低温制冷原子腔室技术有效降低了原子系统的热噪声干扰，热屏蔽腔抑制黑体辐射频移技术则可以减少外部热辐射对系统的影响。

近年来，光学频率基准研究不断取得突破，指标提升迅速。当前光钟的测量不确定度指标已经进入 10-18~10-19 量级，标志着时频计量技术进入了新纪元。2024 年 1 月，中科大报道147通过两套独立的锶原子光晶格钟进行频率比对测量，稳定度在万秒积分时间达到4×10-18，还对光钟系统频移因素开展逐项评定，最终得到系统不确定度为 4.4×10-18。7 月，美国天体物理联合实验室（JILA）报道148研制锶原子光晶格钟不确定度突破 8.1×10-19，刷新了时间频率计量精度的世界纪录。10 月，科罗拉多大学博尔德分校、NIST 等联合报道149利用可编程原子阵列在光学原子钟中制备出9 个量子比特的GHZ纠缠态，实验验证该方案稳定度结果突破标准量子极限（SQL）。加州理工学院与斯坦福大学联合团队报道150实现了用于中性原子光学原子钟的通用量子操作和基于辅助量子比特的结果读出。

光学原子钟将成为下一代秒定义参考。鉴于光钟技术快速发展，国际时间频率咨询委员会（CCTF）已提出秒定义修改路线图计划，在2022年国际计量大会获得通过并启动开展秒定义更新相关研究工作，预计在 2030-2034 年之间，可完成实现秒定义修改。CCTF提出了三种可能修改方案包括：一是选择一个单一的频率跃迁作为新的秒定义。但是鉴于目前多种技术路线的光钟各具优劣势，可能难以确定一个最佳的秒定义候选。二是采用一组跃迁频率的几何平均值来定义一个频率值。这种方式能够兼顾各类光钟的性能优势，但是无法通过同一套实验装置直接复现秒定义。三是定义一个基本物理常数作为秒的定义基础，但是目前物理常数定义频率的相关实验，测量不确定度指标都远低于可复现秒定义的铯原子喷泉钟指标。三种秒定义更新方案的比较和最终选择还有待进一步技术研究与实验验证。

秒定义更新将是一项复杂系统工程。CCTF 还对现有时间频率相关技术、实验和计量的发展提出了相关要求，只有所有的技术目标和计量能力实现后才能完成最终的秒定义更新修改。目前，秒定义更新路线图中各项要求的实现程度各不相同。首先，光频标自身精度需要达到指定要求。例如，至少三家机构研制的同一跃迁的光频标，以及至少不高于于 2e-18。其次，光频标比对精度满足指定要求。例如，各国家可通过移动钟或时频链路方式实现高于5e-18 精度的频率持续比对。最后，其他要求包括新的定义可以实现在未来更加准确的复现，主要国家的计量机构可复现新定义或次级定义，重新定义后实现对时标持续改进，光钟可以实现商品化供应，时频信号传输技术的提升等。未来，不同类型和机构之间的光钟比对，将是秒定义更新的研究重点。

除原子钟以外，核钟也展示出独特优势逐步成为科学研究热点。原子核体积比普通原子小 10 万倍，因此更不易受到环境的影响，但原子核跃迁的频率通常比原子跃迁高出至少1 万倍，不容易被激发。钍-229 是个例外，仅需 8.4eV 就可以从最低能态（基态）跃迁至某个长寿命的激发态，这一特性启发了基于钍的核钟研究。2023年，欧洲粒子物理实验室制造出钍-229，首次确定激发能量为8.4eV。2024 年 4 月，奥地利维也纳工业大学和德国国家计量研究所（PTB）联合实现了钍-229 核跃迁的首次激光激发151。中科院精密测量院利用动态载入结合缓冲气体碰撞冷却方法实现钍离子的囚禁，同时对钍离子数量、速度分布和囚禁寿命进行分析152。9 月，科罗拉多大学博尔德分校、美国 NIST 等联合实现钍-229 核跃迁和锶-87 原子钟的频率比对153，测量结果相比以往报道提高了6 个数量级。核钟研究的快速发展，也可能对未来秒定义更新研究产生一定影响。。