量子測量技術發(fā)展藍皮書 2023

1量子測量概述 11.1基本概念 11.2發(fā)展歷程 11.3戰(zhàn)略意義與價值 22量子測量發(fā)展現(xiàn)狀 42.1國內外戰(zhàn)略部署 42.2國內外研究成果 2.3國內外主要研究單位及成果 2.4國內外投融資情況 3量子重力測量技術及應用 3.1量子重力測量技術 3.2量子重力測量應用 464量子時間測量及應用 494.1量子時間測量技術 494.2量子時間測量應用 5量子慣性測量技術及應用 5.1量子慣性導航測量技術 5.2量子慣性導航測量應用 6量子磁場測量技術及應用 6.1量子磁場測量技術 6.2量子磁場測量應用 7量子成像技術及應用 7.1量子成像技術 7.2量子成像應用 8量子測量技術未來發(fā)展趨勢 8.1量子測量是個方興未艾的科技領域 8.2量子測量是量子科技的關鍵核心板塊 8.3量子測量還將持續(xù)取得新的突破 8.4量子測量有望成為量子技術發(fā)展的先導者 參考文獻 120世紀初，第一次量子革命爆發(fā)，經典力學測量在微觀層面被顛覆。經典21世紀至今迎來第二次量子科技浪潮，人類終于掌握了對單個原子、單個突破經典技術極限，推動國際計量單位7個基本物理量實現(xiàn)“量子化”,推動物2眾多量子測量應用場景下的產業(yè)能力也同步被影響，關注對象。2020年攻克了量子傳感芯片關鍵技術，成果發(fā)表在國際頂級期刊3量子研究成果同樣卓越，擁有1個教育部重點實驗室(低維量子結構與調控實驗室),在量子相干性及其調控、量子結構制備自組裝與量子輸運、微納系統(tǒng)的結現(xiàn)在熱聲子數(shù)達到500以上仍然存在光力量子糾纏交模式之間產生光力(宏觀-微觀)糾纏相干轉換的新方案，揭示了利用光的偏成果的孵化轉化，其中就涵蓋了量子測量、自主導航、空間儀器等13項技術成地方聯(lián)合工程研究中心，是由國家發(fā)改委2016年10月批復成立的中南地區(qū)唯一4早在2016年我國發(fā)布的《量子調控與量子信息重點專項》中就將量子測量技術5國家時間美國提到授權美國國家標準與技術研究院(NIST)建立最多三個科學中心，以告，重點講解過去美國量子測量技術中原子鐘、原子干涉儀、光泵磁力計等技術及其應用的發(fā)展，并進一步明確將促進量子精密測量相關產業(yè)實現(xiàn)年美國信息科學的國家戰(zhàn)略。量子飛躍挑戰(zhàn)計劃成立兩個新的“量子飛躍挑戰(zhàn)研究所”,以推進量子生物傳感技術和量《國家量子倡議(NQI)》法案該法案旨在確保美國在量子科學領域繼續(xù)處于領先地位，涉及的革命性技傳感器。提到量子測量有望為軍事任務提供先子基準，改善導航和定時技術?！杜c基礎科學、量子該報告重點提到量子傳感是量子技術的重要模塊并提及多個量子測量相關的前沿方向，包括：1、廣泛應用于物理和生命科學的固態(tài)量子傳感器；2、精密時空傳感器。Micro-PNT計劃國防部高級研究計劃局(DARPA)啟動的Micro-PNT計劃也支持了芯片級原子鐘、集成微型主原子鐘(冷原子鐘)、量子陀螺等領域的研究，重點研究和發(fā)展無源定位導航技術。美國6國防部啟動的“增強原子鐘穩(wěn)定性”英國告提出資助2.14億英鎊用于四個大學主導的量子研究中心項目，加快量子技術在傳感和計量等方面的技術開發(fā)和商業(yè)化進程；報告提及到2030年，量子傳感將產生至少50億美元的收益；還提到英國政府將從2024年起的10報告告英國國家量子科技計劃(NOPT)在第一階段明確表示將建立四大量子研究中心，其中2大研究中心研究涉及量子測量(英國量子傳感和計時技術中心、英國量子成像技術中心)。《量子技術》報告戰(zhàn)略挑戰(zhàn)基金出資2000萬英鎊，舉辦原型量子器件，分別是：RSK集團的公司的微型原子鐘、東芝歐洲研究院的安全加密芯片、ArQit公司的量子密《量子時代：技術機會》報告子通信。提及成立傳感和計量中心，決定由國家物理實驗室出資2900萬英鎊建設量子計量研究所。德國《量子系統(tǒng)研究計劃》《國家量子系統(tǒng)議程2030》系統(tǒng)的基礎，德國在開發(fā)相關技術時要綜合考慮技術競爭力、系統(tǒng)集成度以及用戶需求，使量子傳感器能夠至少在某一方面優(yōu)于現(xiàn)有的傳統(tǒng)測量工具，進而促進研究成果向實際應用轉歐盟《量子旗艦計劃戰(zhàn)略研究和行業(yè)發(fā)展該報告指出，量子傳感與測量技術主要聚焦于壓力、溫度、重力、磁場測7分辨成像等領域，并在將醫(yī)學、物理、響。歐洲量子旗艦計劃啟動了20個研究項目，其中有4個項目直接與量子國家量子戰(zhàn)略加拿大宣布啟動國家量子戰(zhàn)略，并規(guī)定了量子計算、量子通信、量子傳感始終走在量子創(chuàng)新和領導的道路上。劃向學術界、工業(yè)界和非營利合作者提量子光子傳感和安全(QPSS)計劃QPSS計劃側重2個特定應用領域：用于超安全IT數(shù)據(jù)和網絡的量子網絡安全；用于自然資源提取和加工以及國防和安全傳感的高級光學傳感。提出將在光子學、國防與安全、自然資戰(zhàn)計劃光子學(在光子系統(tǒng)中創(chuàng)建、傳輸和檢測量子信息)、基于芯片的量子系量子系統(tǒng)開發(fā)內在的、主要的測量標準以及標準和認證)。澳大利亞戰(zhàn)略提出，到2045年，量子計算、量子通信和量子傳感技術可以為澳大利日本《指針》是向日本防衛(wèi)產業(yè)界中長期的軍事技術創(chuàng)新發(fā)展和武器裝備研發(fā)報告，此次更新在獨立章節(jié)中明確了12個未來將重點發(fā)展的技術領域，以下航行及通信技術、量子傳感技術、量子計算技術、量子加密通信技術以及網絡攻擊監(jiān)測和應對技術等35項關鍵技術。8計劃》年，分別啟動量子信息、量子測量、下一代激光器三個領域基礎研究共17個項目，量子測量與傳感占7項。2022與測量上的研發(fā)主要集中在磁傳感、量子技術)新推廣辦將量子信息處理、量子測量與傳感、韓國《量子科學技術和量子產業(yè)促進法案》該法案聲明韓國政府將該構建量子體系，以支持量子通信、量子傳感器、量子計算機等量子技術，以及制冷機、《量子科學技術戰(zhàn)(約合23億美元)以推動量子技術的研究和應用，其中主要包括量子通信、量子計算及量子傳感三大領域。韓國的目標是在全球量子技術市場份額提級別時間國家級國務院《質量強國建設綱要》實施質量基礎設施能力提升行動，突中華人民學技術部點研發(fā)計劃》“地球觀測與導航”重點專項部署了“原子陀螺儀”、“空間量子成像技術”、“原子磁強計”和“芯片原子鐘”等項目，對量子精密測量技術的監(jiān)管總局、業(yè)和信息《關于加強國家現(xiàn)常數(shù)精密測量技術和量子計量基礎研究，推動以量子物理為基礎的高準確9委、知識產權局國務院國務院管現(xiàn)代化規(guī)劃的通知》術規(guī)范。中華人民學技術部糾纏的長時間保持和高精度操控，將其應用于量子精密測量等領域。同時將量子精密測量定為重點研究領域。各省市政策北京市《北京市促進未來提到應面向量子信息領域打造未來產業(yè)策源高地。包括重點面向量子物態(tài)科學、量子通信、量子計算、量子網絡、量子傳感等方向開展核心技術攻北京市《關于加快培育壯發(fā)展的若干意見》圍繞量子科學等前沿領域，加快推動北京量子信息科學研究院等新型研發(fā)式。加快布局量子計算、量子通信、量子精密測量等重點細分產業(yè)。廣東省《廣東省計量發(fā)展規(guī)劃(2022—2035技水平一流、符合時代發(fā)展需求和國際化發(fā)展潮流的廣東現(xiàn)代先進測量體系，對經濟社會發(fā)展的貢獻水平顯著提升?！鄙虾Ｊ小渡虾４蛟煳磥懋a大未來產業(yè)集群行對于量子科技提出“圍繞量子計算、動方案》大數(shù)據(jù)計算、醫(yī)療健康、資源環(huán)境等湖南省《關于加快建設現(xiàn)代化產業(yè)體系的指導意見》突破量子時間測量、量子重力測量等子感知等前沿技術研究，推動量子測程化發(fā)展。湖南省《湖南省人民政府高質量發(fā)展的實施提出建成以量子計量為核心的現(xiàn)代先進測量體系；提及以國家時間頻率中心(長沙)為基礎，推動量子計量標湖南省《湖南省計量事業(yè)和二O三五年遠景標準建設和應用理論，形成新型智能核心計量元器件研制能力。包括重點開展電測計量芯片技術研究及應用；磁參量計量標準的研究；激光跟蹤儀多站精密位姿計量標準研究、亞納米/輪廓計量技術和大長度三維空間標準的研究；北斗導航產品檢測設備計量標準、北斗產品測量參量計量標準的研究；慣導空間姿態(tài)動態(tài)計量標準、高精度力學傳感與計量標準裝置研長沙市《關于全力建設全力打造具有核心競爭力的科技創(chuàng)新高關與產業(yè)孵化，搶占未來發(fā)展戰(zhàn)略制高點。湖北省《湖北省加快發(fā)展行動方案“量子芯片和元器件”、“量子精密武漢市方案(2022—2025沿領域產業(yè)化，爭取率先孵化一批創(chuàng)新型軟件企業(yè)。武漢市《關于促進半導體產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的意見》提出圍繞量子芯片等前沿領域建鏈，等生產項目，開展量子成像、量子導航等共性前沿技術攻關。河南省《設計河南建設中提出在量子信息研發(fā)設計方面，集中長期規(guī)劃(2022—2035年)》突破量子精密測量等方向核心器件和安徽省13次提及量子科技發(fā)展，重點強調充分發(fā)揮量子通信、量子計算、量子精密測量研發(fā)領先優(yōu)勢，支持量子科技量子測量技術的研究可追溯到20世紀初期，但真正的成果蓬勃期要來到21本節(jié)選取2020年至2023年為觀察期，對具有代表性的約六十個國內外學術時間國家美國美國羅切斯特大學、美國國家航空航天局(NASA)國際空間站研究人員首次在太空中制造出了含有兩種原子的量子氣體，并且研究人員打算繼續(xù)利用雙原子干涉儀和量子氣體進行實驗，以高精度測表在Nature:美國大學比特的情況下，通過推廣Wener態(tài)來測量雙量子比特混合態(tài)家族中的糾纏，即成功實現(xiàn)了廣義Werner態(tài)中雙量子比特糾纏的單量子比特測量。蕩器在聲頻范圍內的量子行為，識別了在近直流頻率范圍內工作的自旋振蕩器的量子噪聲源特征，并提出了緩解方法。澳大利亞、美國、愛爾學院、美國NTT循精度的動力學不確定性關系，從而在時鐘的蘭Research的物理與信息學實驗室、加州理工學院化學與化學工程系、愛爾蘭都柏林第二學院格林學院等(動力學)熱力學行為與其精度之間建立了明確的聯(lián)系，并實現(xiàn)了量子時鐘中動力學不確定性關系的實驗測試。中國蘭州大學物理科學與技術學院研究人員提出了一種基于Floquet工程方法克服止步定理的方案。這一研究同時恢復了噪聲勢，為克服噪聲量子計量止步定理的影響進而實現(xiàn)高精度測量提供了一條有效的途徑。該項研究發(fā)表在PhysicalReviewLetters.奧地利奧地利因斯布魯克大學糾纏，顯著提高了原子的光學躍遷測量精度展示了量子增強傳感器中的優(yōu)勢。該研究能夠以改善目前使用原子鐘的領域，例如衛(wèi)星導航或數(shù)據(jù)傳輸。中國中國科學技術大學、中國科學院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、北京大學制備和驗證，刷新了截至目前所有量子系統(tǒng)中于測量的變分量子算法的演示，對于多體量子糾纏研究、大規(guī)模量子算法實現(xiàn)以及基于測量中國、西中國科學技術大學、南開大學、西班牙塞維利亞大學美國研究人員展示了一種技術，可以用來在地球和衛(wèi)星之間傳輸原子鐘的時間信號，而不影響信號的精度和準確性——只受限于光的量子性中國中國科學技術大學、香在NaturePhysics:歐盟歐空局歐空局Juice號航天器磁強計攜帶MAGSCA星上，它依靠量子干涉現(xiàn)象對磁場強度進行絕提供校準。中國中國科學技術大學波長的局域增強，研究微波信號的探測與無線電測距，實現(xiàn)10+波長精度的定位。與傳統(tǒng)雷大器等有源器件，降低了電子噪聲等因素對測量極限的影響。該項研究發(fā)表在Nature美國美國耶魯大學物理與研究人員設計了一種能夠分離和解決體積介電損耗的測量方法，其靈敏度為5×10-°。該項研究發(fā)表在PhysicalReviewApplied:中國國防科技大學、湖南師范大學國防科技大學前沿交叉學科學院激光陀螺創(chuàng)新團隊與湖南師范大學等單位合作，在懸浮腔光力系統(tǒng)中引入光學增益，首次采用微米尺度響。研究成果發(fā)表在國際頂級期刊《自然-物中國上海交通大學物理與天文學院、李政道研究所研究人員基于光與原子混合體系，將其發(fā)展的美國懷恩特光學科學學院以經歷耗散稀釋，從而產生一類新的超高Q納米力學諧振器在量子實驗和精密測量中具中國上海交通大學電子信息與電氣工程學院限不相容問題，提出了度量參數(shù)間精度極限不相容程度的理論判據(jù)，并設計了能使兩個不相容物理參數(shù)量子測量精度同時逼近理論極限的量子探針，首次實現(xiàn)了對同一光束的納米級日本日本電報電話公司合研究所(AIST)、大阪大學量子信息與量子生命研究中心研究人員發(fā)明了世界上第一個可以減少未知噪聲影響的量子傳感算法。新的算法可以在無需對硬件進行任何修改的前提下實現(xiàn)更高精以色列以色列理工學院微波放大器，以在液氮溫度以上的量子限制內部噪聲下發(fā)揮作用。研究報告了放大器的設美國Q-NEXT量子研究中心、斯坦福大學、康奈爾大學和美國能源部室產生了對時間和加速度的超精確測量，與不利中國國防科技大學國防科技大學作為核心單位參與研制的世界日本東京工業(yè)大學、東京大學研究人員開發(fā)了一種新的心磁圖技術，可以以毫米級分辨率對這些電流進行成像。這項技術基于金剛石量子傳感器，可以在室溫下(目前常用的心磁圖儀是超導量子干涉儀，需要制冷環(huán)境)以高分辨率感知心臟磁場。中國中國科學技術大學、微究中心(Yb-171)的固有電偶極矩進行了首次測量，獲得了該電偶極矩的上限結果，并對鐿-171中國子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國聲相互作用，并證明其在聲波檢測中的重要潛力。中國中科院微觀磁共振重點實驗室術實現(xiàn)了超越標準模型的新玻色子直接搜尋，質量大于65μeV的軸子觀測界限提升國際紀錄至少10個數(shù)量級。該研究發(fā)表在Physical中國華中科技大學方法，成功實現(xiàn)了原子隧穿電離時間阿秒精度測量。英國國謝菲爾德大學等多研究人員證明可以通過誘導和測量非線性相移到單個極化子水平來實現(xiàn)光控制，在發(fā)展下一代量子傳感和計算技術方面取得了關鍵新突破。這項新研究觀察到，微柱中極化子間的相互作用會導致不同極化模式之間的交叉相位調制。通常在單個極化子存在的情況下，相位的變化也是顯著的，并且可以在具有更強光限制的結構中進一步增加。這為可用于量子傳究發(fā)表在NaturePhotonics。中國術大學在NatureCommunications。中國中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振進展，首次提出和驗證了Floquet自旋量子放子放大的局限性，實現(xiàn)了多頻段極弱磁場信號的量子放大，靈敏度達到了飛特斯拉水平。美國美國麻省理工學院檢測任意頻率，而不會喪失測量納米級特征的能力。該研究發(fā)表在PhysicalReviewX:日本日本筑波大學能有助于推進被稱為量子計量的超高精度測奧地利、奧地利科學研究院量究所(IQOQI)、因斯布魯克大學理論物理系、學院感器的新途徑。根據(jù)研究計算，被困在光學腔鏡之間的納米粒子的運動波動可能構成新型高精度量子傳感器的基礎。美國美國耶魯大學、德克薩研究人員報告了扭曲雙層石墨烯(TDBG)中5μm和7.7μm的可調諧中紅外光伏效應何在可調非線性光-物質相互作用中的獨特作用，而且還以極其緊湊的片上方式為未來的智能傳感技術確定了一條途徑。美國美國科羅拉多大學團隊開發(fā)出世界上最精確的原子鐘，得出在一一，也就是大約3000億年只相差1秒，與廣印度印度拉曼研究所(RRI)理和原子傳感器技術的理想候選者提供了一個框架。英國大學中有效工作的量子重力儀，它能夠在實驗室條打開了一扇窗戶。該研究發(fā)表在Nature。法國究所研究團隊將里德堡超原子(superatom)置于的狀態(tài)。研究表明，超原子腔系統(tǒng)顯示出能夠學腔中的里德堡超原子可高效操縱單光子。美國實驗室冷原子實驗室這種物質狀態(tài)中可以在肉眼可見的尺度上觀英國與技術實驗室、重力梯度傳感器克服了振動噪聲限制，抑制了的影響。傳感器參數(shù)適用于測繪含水層和評估量的測定。西班牙、歐洲光學研究所(ICFO)、阿爾托大學度的原子檢測到任何其他現(xiàn)有傳感器技術都辨率極限。該研究發(fā)表在PNAS。美國加利福尼亞大學圣巴巴拉分校研究人員建立并運行了一個包含單個捕獲的鐳226離子的光學時鐘。該研究發(fā)表在PhysicalReviewLetters.美國、加麻省理工學院、滑鐵盧大學中國互作用的物理機制，可實現(xiàn)快速制備大尺度、子物理基礎研究和抗噪聲量子技術均有重要意義。中國茲南密茨凱維奇大學示了利用光的偏振自由度調控宏觀量子相干效應的物理機制，為宏觀量子糾纏相干調控的學國際頂級期刊《納米光子學》上。德國漢堡大學成圖樣。中國南京大學現(xiàn)代工程與研究人員利用量子系統(tǒng)具有時間對稱性的雙態(tài)矢量描述，對前、后選擇的量子系統(tǒng)進行弱中國中國科學院微觀磁共振重點實驗室、華中科過引入反壓縮操作，借助于高精度的量子控制技大學展，為量子精密測量提供了新的途徑。該研究發(fā)表在NatureCommunications中國國防科技大學國防科技大學電子科學學院量子微波測量研究團隊，成功在室溫下實現(xiàn)1—40GHz(吉赫)的超寬帶微波信號測量。該技術的最大優(yōu)勢頻段測量，在硬件層面上極大降低了電子信息系統(tǒng)的復雜程度。未來，這項量子微波測量技越式發(fā)展提供關鍵技術支持。爾科沃科學技術研究所研究人員開發(fā)出基于釔鐵石榴石薄膜(YIGM)的新型磁通門腦磁圖傳感器，能夠范圍，該設備需要較少的磁屏蔽，意味著硬件表在HumanBrainMapping。中國、德國中國科學技術大學、德國亥姆霍茲研究所至少5個數(shù)量級，首次突破國際公認最強的宇中國中國科學院微觀磁共室溫大氣環(huán)境下實現(xiàn)了突破標準量子極限的磁測量。該研究發(fā)表在ScienceAdvances。美國研究院將這些原子鐘分別放置在科羅拉多州博爾德市多個點位，比較其在2017年11月至2018年6月間各自的頻率比值，獲得的測量精度范圍可達到小數(shù)點后18位。這次報道的測量結果是頻率比值不確定度首次小于小數(shù)點后17中國華中科技大學中國中國科學技術大學、香精度比經典方法提高了13.27dB。該研究發(fā)表在ScienceAdvances.中國南方科技大學、英國伯明翰大學、德國帕德博恩大學南方科技大學材料科學與工程系副教授李貴學等機構合作在用于冷原子產生的超構表面光學芯片方面取得最新進展用于冷原子產生的超構表面光學芯片，研究成果在Science中國學技術大學、波蘭波茲南密茨凱維奇大學學技術大學、波蘭波茲南密茨凱維奇大學的同行合作，提出了一種實現(xiàn)非互易光力糾纏的新復機制。該研究成果發(fā)表在物理學國際頂級期刊《物理評論快報》上：專利是核心技術和成果的直接保護手段，其布局情況可直觀反應技術及產業(yè)發(fā)展進程，以下將從專利領域對量子測量技術展開進一步的分析。圖2-1量子測量專利申請趨勢圖圖2-1顯示全球量子測量專利申請量的發(fā)展趨勢，統(tǒng)計范圍是目前已公開的專利，通過申請趨勢可以從宏觀層面了解在各時期的專利申請熱度變化。量子測量技術的知識產權發(fā)展可以分為如下幾個階段：(1)技術萌芽期(2003—2004年):自21世紀初期開始出現(xiàn)量子測量技術的專利，至2004年期間量子測量技術的專利申請量緩慢增長，專利技術發(fā)展比較緩慢，處在發(fā)展萌芽期。(2)技術成長期(2004—2009年):自2004年起專利申請量呈快速增長趨勢，量子測量專利技術市場占有比例和專利申請量在這五年內增長近4倍，說(3)高速發(fā)展期(2010年—2018年):隨著相關關鍵技術的攻關迭代，人(4)技術調整期(2018年一至今):從2018年至今，全球各國針對量子圖2-2全球量子測量專利來源國占比圖2-2顯示的是隨著時間變化的各國專利申請量總占比的變化。在2010年以前美國、日本分別保持著領先的申請量，在2011年之后，中國在量子測量專圖2-3中國量子測量專利申請量的發(fā)展趨勢(1)技術萌芽期(2003—2010年):中國自21世紀初期開始出現(xiàn)量子測(2)技術成長期(2011—2018年):自20011年專利量呈快速增長趨勢，(3)高速發(fā)展期(2018年—至今):隨著相關關鍵技術的突破性進展，人申請?zhí)?計數(shù))圖2-4中國量子測量專利技術IPC構成圖2-4顯示了不同IPC分類的專利類型的構成。宏觀上看，發(fā)明專利占據(jù)整體申請專利75%以上，可知目前量子測量技術具有顯著的創(chuàng)造性和突出的進步，圖2-5中國量子測量技術發(fā)展趨勢圖2-5顯示了量子測量專利技術的具體方向的發(fā)展情況。從2010年起逐漸開始衍生出其他的技術發(fā)展方向，但在當時相較于全球整體量子測量發(fā)展方向和類型都呈現(xiàn)出較為落后的趨勢，在2010年后至今，整體上呈現(xiàn)較快的發(fā)展趨勢，研究門類也逐漸增多。本人88(232%圖2-6中國量子測量專利申請人類型圖2-6展示的是中國專利申請人單位類型的分布。通過該分析可以明晰創(chuàng)新主體的類型，圖中可見，量子測量技術領域中高等院校占比為41.38%,緊隨其后的是企業(yè)和科研院所分別占據(jù)30.69%和22.03%,整體上呈現(xiàn)三足鼎立的趨勢，可推斷當前技術及成果轉化的路徑相對完整。2.3國內外主要研究單位及成果Q-NEXT中心是在美國2018年《國家量子計劃法案》指導下，由美國阿貢中心匯集了來自3個國家實驗室、10所大學和14家科技公司的約100名專家。2022年12月14日，Q-NEXT中心發(fā)布了《量子互連路線圖》(如圖2-7),提到了未來15年實現(xiàn)量子傳感應用的關鍵技術領域可能包括傳感和計量物理學、英國伯明翰國家量子傳感與計時技術中心是英國國家戰(zhàn)略中的量子技術項目之一，擁有超過110個子項目，總資金達1.2億英鎊。中心的設立目的是促進2022年英國伯明翰國家量子傳感與計時技術中心與英國伯明翰大學研究人發(fā)表于2022年2月23日的《自然》期刊上(如圖2-8)。ExplorecontentAboutthejouBenStray,AndrewLamb,.AishaKaushik,JamieVovrosh,AnthonyRodgers,JonathanWincHayati,DanielBoddice,ArturStabrLellouch,SanazRoshanmanesh,KevinRidley,GeoftreydeVilliers,GarethBroTuckwell,AsaadFaramarzi,NicoleMetie,KaiBongs&MichaelHolyns圖2-8在《自然》期刊上發(fā)布的研究成果來的重力測量將更實惠、更可靠，并且傳輸速度可以快上10倍，測量時間將從澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織(CommonwealthScientifi其前身是于1926年成立的科學與工業(yè)顧問委員會。CSIRO的主要任務是通過科亞量子技術產業(yè)：爭取40億澳元的產業(yè)發(fā)展機遇》(如圖2-9),以求在全球量Australia'sNational其中重點提到在量子傳感與測量領域，CSIRO量子技術路線圖總結了澳大健等多個領域。對此，CSIRO布局了5個重點發(fā)展方向：①基于量子增強技術探測項目，并且得益于其在超導SQUID器件制作和地磁測量應用方面積累下的法國iXblue成立于2000年，是一家在導航、光子學和空間以及海上自主等公司的主要產品有世界上首臺商用絕對量子重力儀(AbsoluteQuantumGravimeter,AQG)(如圖2-10),實現(xiàn)了從幾秒鐘到幾年的連續(xù)數(shù)據(jù)采集，能廣還自主研制了世界上第一臺商用便攜式量子重力梯度儀(DifferentialQuantumGravimeter,DQG)(如圖2-11),應用于探測地下空洞(土木工程和災害預防)、圖2-10世界首臺商用絕對量子重力儀(AQG)圖2-11世界上第一臺商用便攜式量子重力梯度儀工業(yè)原型機英國MSquaredLaserLtd公司成立于2003年，為前沿科學、量子技術、化學傳感(環(huán)境和遙感、國防和安全)、生物光子學(顯微鏡和疾病檢測)等應用一臺商用量子加速度計(如圖2-12),其產品組合還包括互補的光學系統(tǒng)和電子圖2-12英國首臺商用量子加速度計(左)英國首臺商用量子重力儀(右)Qnami于2017年11月在瑞士成立，公司愿景是利用量子技術，為高精度傳心技術的掃描探針量子顯微鏡系統(tǒng)(如圖2-13)。還開發(fā)了專為納米級成像設計2020年7月，Qnami和HORIBA公司(先進研究和工業(yè)提供測量和分析解ColdQuanta是一家美國量子初創(chuàng)公司，成立于2007年，總部位于美國科羅技術研發(fā)和量子技術商業(yè)化方面的領導者。2022年底ColdQuanta更名為“Inflegtion”量子技術公司，并重組為三個部門：量子計算(“Hilbert”)、量子確計時，為基礎設施提供了GPS支持，其代表產品為微波時鐘與光學時鐘(如圖2-14),微波時鐘的研發(fā)能解決時鐘漂移、抗干擾、無線電靜默管理、信號采圖2-14微波時鐘及光學時鐘北京量子信息科學研究院成立于2017年，由北京市政府發(fā)起，整合了北京骨干力量(如圖2-15)。高靈敏慣性測量研究；(2)開展基于原子自旋效應的高精度磁場測量研究；(3)微型原子鐘(如圖2-16)。目前團隊研制的微型原子鐘，體積為15cm3,重38g,運行功耗<1W,相位噪聲優(yōu)于-140dBc@10kHz,已經完成了旋翼無人機圖2-16量子精密測量團隊的微型原子鐘產品里德堡原子天線(如圖2-17)。團隊開展了基于里德堡原子的寬頻和高靈敏圖2-17量子精密測量團隊研制的里德堡原子電場探測集成化系統(tǒng)金剛石NV色心(如圖2-18)。團隊研制了應用于固態(tài)量子探測的共聚焦掃納米級金剛石NV色心樣品以及高濃度NV色心毫米級金剛石系綜樣品。圖2-18量子精密測量團隊研制的基于金剛石NV色心的共聚焦掃描顯微鏡原子磁力儀(如圖2-19)。團隊基于無磁VCSEL激光器芯片設計和制備，消除光源對光泵磁力儀等精密儀器靈敏度的影響，搭建了Bell-Bloom小型磁強成后的梯度探頭小于20cm3。圖2-19量子精密測量團隊研制的原子磁場精密測量實驗系統(tǒng)集成化高精度原子絕對重力梯度儀(如圖2-20)。2022年12月，研究團隊力梯度儀物理單元。最終團隊的產品實現(xiàn)了探頭體積僅為95升、測量精度達到0.86E,成為目前國際上集成度最高的亞E水平的原子重力梯度儀。圖2-20豎直原子重力梯度儀及其物理單元結構國內首臺基于量子邏輯技術的鋁離子光鐘裝置(如圖2-21)。2022年8月，研究團隊在國內首臺基于量子邏輯技術的鋁離子光鐘原理樣機的研制工作中取圖2-21研究團隊研制的鋁離子光鐘裝置杭州微伽量子科技有限公司成立于2018年，是一家專注于高精度量子精密微伽代表產品為量子絕對重力儀整機產品(如圖2-22),其主要特點包括操圖2-22微伽量子絕對重力儀整機產品如可定制激光功能模塊、冷原子超高真空系統(tǒng)及離子泵高壓源(HVM)等(如圖圖2-23模塊研發(fā)(從左至右為可定制激光功能模塊、冷原子超高真空系統(tǒng)、離子泵高壓源)2.3.11國儀量子(合肥)技術有限公司國儀量子(合肥)技術有限公司以量子精密測量為核心技術，為全球范圍內圖2-24)、磁共振產品(如圖2-25)都可實現(xiàn)高精度精密測量。圖2-24量子鉆石單自旋譜儀圖2-25X波段連續(xù)波電子順磁共振波譜儀長沙量子測量產業(yè)技術研究院成立于2023年，是由湖南省長沙市科技局批研究院的主要產品包括QS-AG系列量子絕對重力儀(如圖2-26),QS-AG除此之外，研究院還研制有QS-MOT量子教儀這款面向高校量子信息相關專業(yè)的教學儀器設備(如圖2-27),該設備以以冷卻機制清晰、理論詮釋完整的2.4國內外投融資情況披露數(shù)據(jù)來看，單筆融資最高金額的公司是美國C國家時間1商400萬瑞士法郎260萬瑞士法郎未披露天使輪23萬瑞士法郎1萬美元2國儀量子量子精密研發(fā)商中國數(shù)億元人民幣數(shù)億元人民幣未披露未披露股權融資未披露3光子學和英國權融資1250萬英鎊(債權融資)、2000萬英鎊(股權融350萬美元4量子計算、美國3200萬美元1000萬美元680萬美元5北京未磁科技測量核心技術研究平臺中國超億元人民幣股權融資未披露股權融資未披露天使輪數(shù)千萬人民幣6中科啟迪光電子量子精密發(fā)商中國股權融資未披露7設施軟件(太空傳感澳大利亞8湖南國科通導時空科技有限公司(長沙量術研究院)量子精密研發(fā)商中國天使輪數(shù)千萬人民幣9斷層掃描英國片英國258萬英鎊中科酷原術中國數(shù)千萬人民幣發(fā)商澳大利亞1000萬美元融資輪次方面，從ICV公開數(shù)據(jù)來看(如圖2-28),全球范圍內對量子精密測量的投融資，中國以51.61%的投資輪次份額領跑量子精密測量領域的投資；美國以19.35%的投資輪次份額位居第二；英國以16.13%的投資輪次份額位居第三；澳大利亞和瑞士的投資倫次水平相同，均為3.23%。圖2-28國家及各融資輪次數(shù)量(2020-2022)干涉器件；NV為金剛石NV色心技術；其他為量注：單個技術路徑可能包含多個應用場景。例如，冷原子技術可以組成時同時頻、磁場測量，慣性測量共三個方向圖2-29按技術路徑市場分類歷史融資筆數(shù)(2020-2022)(左)按應用市場分類歷史融資輪次數(shù)(2020-2022)(右)從ICV公布信息(如圖2-29)可以看出“冷原子技術”和“SERF技術”目場測量”,“量子時頻時準”是在量子技術領域比較受投資者關注的應用類別。3量子重力測量技術及應用3.1量子重力測量技術地球重力場是地球物質分布和地球旋轉運動信息的綜合反應，是地球的重要物理特征之一。地球重力場及其時變信號反映了地球表層及內部物質的空間分布、運動和變化動態(tài)，同時也制約著地球本身及其鄰近空間發(fā)生的物理事件。獲取精細的局部重力場和全球重力場信息能有效地服務國防科技、航空航天、資源勘測等領域。重力測量技術的設備包括直接測量重力加速度的重力儀和測量重力位二階微分的重力梯度儀，以下將對當前主要發(fā)展的原子干涉重力儀及原子干涉梯度儀的重力測量原理進行分析。原子干涉重力儀是利用物質波干涉原理實現(xiàn)重力加速度的測量，激光冷卻后的原子團在重力作用下自由下落，利用受激拉曼躍遷技術精密操控原子在下落過程中的能級分布，通過讀取冷原子干涉條紋的相位實現(xiàn)重力加速度的高精度絕對測量。相比于經典的激光干涉型絕對重力儀，原子干涉重力儀具備無機械磨損、測試帶寬高、測試精度高、可長時間連續(xù)運行等優(yōu)點，因此原子干涉重力儀得到分束器分束器反射器合束器Z十π2+π圖3-1基于冷原子干涉技術的量子絕對重力儀測量原理圖如圖3-1所示為冷原子干涉絕對重力儀的測量原理圖，先后利用磁光阱及偏振梯度冷卻技術實現(xiàn)μK級原子冷卻，然后利用三束拉曼光(π/2-π-π/2脈沖)與冷原子進行相互作用，實現(xiàn)基于雙光子受激拉曼躍遷的冷原子干涉儀，最終在探測光的作用下實現(xiàn)原子在不同能級上相對布居數(shù)的探測。在重力作用下，冷原子波包在兩條不同的干涉路徑上自由演化所獲得的相位不同，其干涉條紋可以表示其中P表示原子在上能級相對布居數(shù)，ker表示拉曼光的有效波矢，α表示拉曼光頻率掃描啁啾率，T表示冷原子干涉自由演化時間長度。因此，通過讀取原子干涉條紋相位，利用g=α/ker計算求得測試點位的重力加速度值。冷原子干涉絕對重力儀擁有很好的短期穩(wěn)定性和較高的測量頻率，由于采用具備穩(wěn)定能級結構的冷原子團作為工作介質，而沒有經典激光干涉儀中的自由落體質量塊(角錐棱鏡),因此，原子干涉重力儀具有精密性與穩(wěn)定性的同時又具有無機械磨損、可長期連續(xù)工作等優(yōu)勢，并且還具有進一步提升測量精度的潛力。重力儀的發(fā)展研究持續(xù)多年，國內外都產出了諸多科技成果，真正可以產業(yè)化應用的產品也是在近些年才走出實驗室。1992年，美國斯坦福大學的朱棣文小組采用了冷原子噴泉和雙光子Raman躍遷這兩種新的技術手段，首次實現(xiàn)了重力加速度的高精度測量。到1997年，其領導的Kasevich小組又用雙光子速度選擇拉曼躍遷的技術方法，對轉動量進行了測量，由于朱棣文教授在激光冷卻原子及原子干涉重力儀研究領域的杰出貢獻，1997年榮獲諾貝爾物理學獎，為量子絕對重力儀及測量技術研究奠定基石。2010年斯坦福大學于研制的立方體結構的冷原子干涉儀(如圖3-2),加速。圖3-2美國斯坦福大學的冷原子干涉重力儀及測量原理德國洪堡大學于2013年研制了小型化可移動式冷原子干涉重力儀(如圖3-3),該系統(tǒng)通過原子上拋方式使得原子自由演化時間T=260ms,并增加了隔振和補償科里奧利力子系統(tǒng)，經過連續(xù)幾天測量當?shù)刂亓ψ兓`敏度為圖3-3德國洪堡大學冷原子干涉重力儀及測量原理國內對冷原子技術的研究也呈蓬勃之勢，有眾多研究機構都在投入和研究該領域，國防科技大學、浙江大學等高校單位相繼對冷原子技術展開研究并取得一系列成果，高校和研究機構對于科研成果的商業(yè)轉化支持力度也逐步增大，絕對重力儀產品研發(fā)生產企業(yè)也陸續(xù)涌現(xiàn)。國防科技大學先后研制了測量級原子重力儀、國內首臺野外車載百微伽級絕對重力儀系統(tǒng)，其中測最級原子重力儀靈敏度達到 車載絕對重力儀對重力儀系統(tǒng)，其中測最級原子重力儀靈敏度達到系統(tǒng)了車載重力儀系統(tǒng)完成了可靠性測試試驗(如圖3-4),經測試，在短時運輸過程中，針對不同的重力測量精度需求，車載重力儀可持續(xù)開展時長為2-60分鐘的絕對重力測量實驗，提供準確可靠的絕對重力測量結果。在長時運輸過程實驗中，車載重力儀開展了時長約7小時的長期重力測量實驗，測試過程中存在人員走動及車輛行駛的干擾，但車載重力測量系統(tǒng)對此類振動干擾具備一定的魯棒性，重力測量值的實驗標準偏差僅為63.8μGal,車載重力測量系統(tǒng)的靈敏度可達到520μGal/√Hz,積分時間15分鐘后，重力測量分辨率能夠達到15μGal。重力測量靈敏度并沒有隨著室外振動噪聲的增加而顯著惡化，同時，重力測量結果沒有明顯的漂移，穩(wěn)定性較好。即使在振動環(huán)境復雜的室外，該系統(tǒng)仍展現(xiàn)出了較高的測量精度，能夠為陸地重力觀測應用提供準確可靠的絕對重力測量結果。圖3-4車載重力儀可靠性測試試驗2023年10月27日第二屆北斗規(guī)模應用國際峰會上，長沙量子測量產業(yè)技術研究院聯(lián)合測控與導航技術國家地方聯(lián)合工程研究中心攜典型成果——QS-AG系列量子絕對重力儀亮相(如圖3-5)。QS-AG系列量子絕對重力儀是華中科技大學研究并設計了銣原子噴泉重力儀，原子噴泉高度為1m,在安靜測試環(huán)境下，重力測量百秒積分優(yōu)于5×10-°cal,測量靈敏度為4:測量精度處于國際領先水平，圖3-6所示為華中科技大學研究小組研發(fā)的我國首臺實現(xiàn)行業(yè)應用的原子重力儀。圖3-6華中科技大學研發(fā)的量子絕對重力儀杭州微伽科技有限公司配合浙江工業(yè)大學量子精密測量團隊完成“國內首套小型化高精度ZAG-E型冷原子絕對重力儀(如圖3-7)”研發(fā)，該儀器測量精度達10μGal,具有單次測量時間短、可連續(xù)測量、使用壽命長等特點，各項技術指標達到國際先進水平。圖3-7ZAG-E型冷原子絕對重力儀實物圖整體來看，在原子干涉重力儀領域，尤其是冷原子絕對重力儀模塊，美國、德國等少數(shù)幾個科技強國已有多年的技術研發(fā)積淀解決了冷原子干涉系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和集成問題，率先一步讓重力儀產品走出實驗室，正著力于攻克高動態(tài)禁運，逐步開展壟斷。我國華中科技大學于2021年將研制的實用化高精度銣原成了長度約10km,測點最大高程差約100m的野外環(huán)境車載重力儀測試試驗，證明了其研發(fā)的兼具高精度與小型化優(yōu)勢特色的重力儀設備在野外環(huán)境下的測g的測量?；诖擞扇鐖D3-9所示兩個原子干涉儀就可實現(xiàn)一個重力梯度張量分Ao?=kgT2圖3-8原子干涉儀與重力相移圖3-9垂向分量原子重力梯度測量原理1998年，美國斯坦福大學在國際上首次利用兩個原子干涉儀在實驗室內實研究并取得了一系列重要的進展(如圖3-10、3-11、3-12、3-13)。冷卻光束→圖3-10美國斯坦福大學重力梯度儀原理圖(左)意大利佛羅倫薩大學重力梯度儀原理圖(右)&圖3-12華中科技大學重力梯度儀原理圖(左)浙江工業(yè)大學重力梯度儀原理圖(右)圖3-13中科院精密測量院研制的重力梯度儀目前大部分都還處于實驗室研究階段，直到2022年第一臺商用梯度儀才被研發(fā)化和軍用轉型，預計3年后會完成過渡，可落地的應此前收購了量子重力儀初創(chuàng)公司Muquans的法國高科技公司iXblue就和意大利國家地質和火山研究所地震臺網中心Etneo觀察站(INGV-OE)合作研究實山活躍區(qū)測量重力時，重力越強，表明地表下的巖漿越多(如圖3-14)。美國地通過不同差分方式(兩期差分或以某期為基準差分)獲得重力場時變信息，可為量子重力儀還可以被用于輔助增強導航系統(tǒng)的有效性(如圖3-15),近年來梯度儀于2022年5月發(fā)布(如圖3-16),由法國公司iXblue生產，它的分辨率優(yōu)于1E,即0.1μGal/m,主要用于探測地下空洞(土木工程和災害預防)、提高圖3-16iXblue生產的重力梯度儀在量子測量領域中，量子重力儀發(fā)展較快，據(jù)ICV數(shù)據(jù)，2022年量子重力儀市場規(guī)模達到了1.2741億美元，2025年將達到2.3185億美元，復合年增長率為17.03%。報告還指出量子重力測量儀器市場的主要突破到了20世紀的30年代，壓電技術的發(fā)展促使石英鐘表的發(fā)明和完善，對于精密振蕩頻率確定的時間標準。早在上個世紀30年代，美國物理學家拉比就提出利用原子振蕩頻率來制作高精度的時鐘，直到1950年拉比的學生Ramsey發(fā)明了創(chuàng)制氫激射器獲得1989年諾貝爾物理學獎。隨后的幾十年間，傳統(tǒng)熱原子頻標成為了研究熱點。時間過渡到上世紀80年代，激光冷卻技術的出現(xiàn)，冷原子頻(1)微波原子鐘拋，形成原子噴泉。原子在上拋下落過程中，經過同一微波腔(Ramsey腔),完于精準測量時間。以銫原子噴泉鐘為例(如圖4-1),其包括真空物理系統(tǒng)、激圖4-1銫原子噴泉鐘原理框圖此種方法俘獲原子效率較高，可以提高信噪比和短期穩(wěn)圖4-2美國國家標準計量局的F-1銫原子噴泉微波鐘(2)光學原子鐘光學原子鐘即對應鐘躍遷頻率在光波頻段的原子鐘。光鐘測量技術是采用窄線寬激光與原子作用獲得高分辨率鑒頻信號對激光頻率進行鎖定，進而得到準確穩(wěn)定的標準頻率信號的一種時間測量技術手段，目前研究最多的兩類光鐘是單離子光鐘和基于大量中性原子的光晶格原子鐘。單離子光鐘是利用單離子(In+,Sr+,Al+,Hg+,Yb+等)產生鐘躍遷信號的離子光鐘，主要應用單離子囚禁和激光冷卻技術，其系統(tǒng)不確定度在2010年達到了1018量級，并于2019年達到了9.4×10-19,但對于單離子光鐘，在鐘躍遷探測時電子的波函數(shù)會隨機坍縮到基態(tài)或者激發(fā)態(tài)上，此時量子力學的基本原則限制了躍遷幾率的探測精度，即量子投影噪聲，盡管基于離子陣列的多離子光鐘有望大幅度提升離子光鐘的穩(wěn)定度且保持高的準確度，但該方向的研究目前還處于探索階段。相比之下，基于大量中性原子的光晶格原子鐘可同時相干探測大量原子的鐘躍遷信號，其投影噪聲問題遠遠小于單離子光鐘，雖也存在頻移等問題，但相對于離子光鐘的問題，還是處于尚可解決的階段。光晶格原子鐘的原理(如圖4-3)是利用囚禁在光晶格中大量中性原子的鐘躍遷信號來修正本地光頻振蕩器(鐘激光)的輸出頻率，使鐘激光與冷原子參考體系的鐘躍遷頻率保持共振，并通過飛秒光學頻率梳來測量鐘激光的頻率。鐘激光的相位通常被鎖定到一個超穩(wěn)的光學腔上，用來抑制激光器的頻率漂移并減少鐘激光的噪聲，由于原子處于無擾動的鐘躍遷頻率僅與原子種類相關，因此基于原子源激光冷卻光晶格鐘躍遷譜線光學頻率梳鐘激光頻率伺服系統(tǒng)圖4-3光晶格原子鐘的原理在微波原子鐘的誕生之初，人們就有過光學原子鐘的構想，但是直到20世紀末，人們才能夠對光波進行精確的測量，大的發(fā)展。原子光晶格鐘研制方面已經開展了鍶原子光晶格鐘(如圖4-4)、鐿圖4-4國家授時中心的鍶原子光晶格鐘及其測到的鍶熱原子束熒光圖第27次國際計量大會(CGPM)已經通過決議——將在2026年第28次CGPM會上討論重新定義秒的光頻標元素種類(一種或者多種光鐘),這意味著光鐘未(3)芯片級原子鐘高的需求，圖4-5所示為現(xiàn)有原子鐘體積圖4-5現(xiàn)有原子鐘體積與穩(wěn)定度性能的典型數(shù)值原理(如圖4-6)。CPT現(xiàn)象是光與原子作用產生的一種量子干涉效應，用兩束(a)三能級原子系統(tǒng)與其相干光場腔激光器諧振泡*Rb+緩沖氣體光電檢測器R螺線管磁屏蔽微波發(fā)生器(b)CPT原子鐘開展了先進技術原子頻率標準級原子鐘項目，在DARPA的支持下，2011年，Symmetricom公司發(fā)布了第一款CSAC商業(yè)化產品SA.45s(如圖4-7),該產品體積為17mL,比傳統(tǒng)原子鐘縮小了30倍，功耗為120mW,比傳統(tǒng)原子鐘降低了50倍，該產品已經面向全球發(fā)售，可應用于GPS接收機，無人駕駛飛行器等，標志著CSAC技術進入了工程應用階段。圖4-7CSAC商業(yè)化產品SA.45s美國對CSAC持續(xù)保持高度關注，2016年為了確保精確時間的主導權，確保各類平臺、載體使用精確時間和時間同步的安全，建立基于本地原子鐘的時間保持能力，在先前的CSAC項目基礎上，DARPA啟動了高穩(wěn)原子鐘(AtomicClockwithEnhancedStability,ACES)項目，旨在研制一種軍用低功耗便攜式原子鐘設備以提供高精度時鐘和守時功能。2019年進一步提升該芯片級光鐘的性能，該光鐘的核心元器件已實現(xiàn)芯片化，比傳統(tǒng)CPT鐘性能提升了100倍，接近銫鐘指標，功耗僅為275mW,展現(xiàn)了芯片級光鐘的巨大潛力，圖4-8為NIST團隊的緊湊型光鐘結構示意圖。2018年Honeywell公司利用集成光子芯片構建磁光阱，不僅大大減小了系統(tǒng)尺寸、重量和功率，并且可通過批量制造降成本。圖4-8NIST團隊的緊湊型光鐘結構示意圖國內開展CSAC研究的單位主要集中在高校和科研院所，如北京大學、中國航天科工集團第二研究院二O三所等，但之前國內CSAC產品核心激光器目前仍依賴進口嚴重，成本較高且質量不可控，成為制約國內CSAC產能的重要因素。在2023年8月，我國終于突破芯片級原子鐘的生產壁壘，在天津濱海新天津市科技局聯(lián)合投資建設的，年產能達到重要的是，成本更低，價格“更親民”,在測量儀器、通訊網絡、5G基站等領原子鐘，我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)搭載的就是銣原子鐘(如圖4-9),時間信號隨誤差因素的情況下，原子鐘提供的時間誤差需保持在3納秒。在國防領域，原子鐘實現(xiàn)的精準時間測量是導彈的“彈為例，其飛行速度已經能夠達到8800米/秒標2.6公里；而作為防御，為了能夠精確地攔截到這量子導航系統(tǒng)與傳統(tǒng)導航系統(tǒng)的基本組成結構一致(如圖5-1),主要由原原子鐘姿態(tài)控制單元時空信息收發(fā)單元1圖5-1量子導航系統(tǒng)原理圖原子干涉陀螺儀是一種基于薩格奈克效應測量載體的旋轉角速度的新型慣基于Sagnac效應，采用相向傳播的拉曼激光相干操作原子，較同向傳面積的原子干涉環(huán)路(如圖5-2),再通過原子干涉環(huán)路感受到轉動引起的條紋圖5-2建立更大面積的原子干涉環(huán)路碑式院校，也發(fā)明冷原子干涉陀螺儀(如圖5-3),其靈敏度為8.5×10-8(rad/s)/Hz1/2,德國漢諾威大學冷原子干涉陀螺儀(如圖5-4)的靈敏度可以達1.2×圖5-3美國斯坦福大學冷原子干涉陀螺儀圖5-4德國漢諾威大學冷原子干涉陀螺儀在國內率先建立了原子干涉陀螺儀裝置。2016年研究出在靜止坐標系和旋轉坐效應，實現(xiàn)了國內首臺原子干涉陀螺儀，積分時間為1000s的長期靈敏度達到向重力的原子加速度計與原子干涉重力儀原理就較為相近(如圖5-5),原子經x/2·(a)噴泉重力儀(b)自由落體重力儀圖5-5原子重力儀原理圖量子加速度計的精準度比傳統(tǒng)慣性器件高幾個數(shù)量級。2018年英國帝國理工學院研與Squared公司研發(fā)出首款用于導航的量子加速度計(如圖5-6),一種名為量子定位系統(tǒng)(QPS)的量子加速度計，在潛艇行駛中，利用傳統(tǒng)的慣性導航系統(tǒng)一天偏移距離能達到1公里左右，而QPS一天的偏移距離只有一米。圖5-6英國帝國理工學院研與Squared公司研發(fā)的量子加速度計量子慣性測量最大的應用是在導航領域，以期待使用量子導航技術成為傳統(tǒng)和試驗船XV帕特里克布萊克特號(如圖5-7)。這項技術在未來有可能提供無圖5-7在試驗船XV帕特里克布萊克特號上安裝的量子傳感設備6量子磁場測量技術及應用已有磁場測量技術主要包括霍爾傳感器、磁阻傳感器、超導量子干涉儀 允許在宏觀尺度上制造一個量子系統(tǒng)，并可以通過微波信號進行有效的控制。SQUID是目前主要的磁力傳感器之一，是醫(yī)療領域使用相對廣泛的磁力探測技兩塊超導體之間通過極薄絕緣層的弱連接作用形成的夾心結構就叫做約瑟夫森(Josephson)結，即超導結，超導結的臨界電流與外加磁場有關，當外加磁場SQUID的磁力測量技術手段的實現(xiàn)依據(jù)瑟夫森結(如圖6-1),在環(huán)面垂直心臟等區(qū)域磁場范圍大，且磁信號尤其是心磁信號(如圖6-2)傳輸不會受到人急性冠脈綜合征二維心磁圖示例圖6-2心磁圖圖像示例基于約瑟夫森效應的SQUID在20世紀60年代開始出現(xiàn)，并于20世紀90無自旋交換弛豫磁力計(Spin-exchangerelaxationfree,SERF)屬于原子磁低溫操作、易于小型化、高空間分辨率等優(yōu)點，最靈敏的探測精度已經超過程(如圖6-3)。1973年，美國哥倫比亞大學教授Happer和Tang在實驗中首次發(fā)現(xiàn)了高原理論上解釋了SERF態(tài)的物理機理。2002年，美國普林斯頓大學成功研制出基子和一個空位替換后，再捕獲一個電子形成，可將它看成一個分子，它具有一個電子自旋三重態(tài)的基態(tài)能級3A和激發(fā)態(tài)能級E,光學躍遷波長為637nm(如圖6-4),產生NV色心的方法之一是將氮離子注入高純度的金剛石中然后高溫退火形成。NV獨特的結構決定了其無與倫比的光學性質與量子相干性質，這是利用金剛石NV進行量子測量的基石(如圖6-5)。圖6-4NV色心的能級結構金剛石NV色心的自旋狀態(tài)可以被用來測量磁場，當?shù)瘴簧奶幱诨鶓B(tài)時，它的自旋狀態(tài)可以被用來測量磁場，對NV自旋施加微波，當微波頻率與NV電子自旋躍遷能級差相等時，發(fā)生共振改變了氮空位色心的自旋狀態(tài)時，他會發(fā)出自1997年實現(xiàn)單個NV色心的光探測磁共振以來，基于單NV色心的磁測剛石NV色心磁力計)列為研究重點發(fā)展方向，美國最新發(fā)布的《將量子傳感器2015年，中國科大杜江峰團隊利用NV色心作為量子探針，在室溫大氣條件下地理位置地磁大小與方向有差別(如圖6-6),可以以此繪制地球的磁異常地圖，德·馬丁等公司對于這項需求也正在研究磁力計導航功能的實現(xiàn)(如圖6-7)。場精密測量系統(tǒng)”(如圖6-8、6-9),其搭載著空間新技術試驗衛(wèi)星(SATech-01)2023年1月30日，美空軍授予SandboxAQ公司量子導航技術第二階段合同，以優(yōu)化其量子導航(MagNav)工具，并進行演示驗證。MagNav工具通過相結合，增強對位置的感知，提供新的量子導航工具，旨在GPS拒止環(huán)境中進行導航。該公司在第一階段已完成技術探索；第二階段預計為期4個月，將重點開發(fā)實時分析與切換功能，確保在GPS信號中斷或丟失情況下，使飛機保持正常運行。圖6-6地球表面的磁場強度圖6-7洛克希德·馬丁公司為全球定位系統(tǒng)設計的鉆石磁力計參領裝被式無碳體育圖6-8CPT原子磁場精密測量系統(tǒng)(伸桿收攏狀態(tài))圖6-9CPT原子磁場精密測量系統(tǒng)(伸桿展開狀態(tài))在醫(yī)療領域，量子磁力測量方面的主要的應用為腦磁圖(MEG)與心磁圖(MCG),因為心臟和腦部的神經傳導電流較大，其周圍的磁信號也相對較強(如圖6-10),一旦有病理性的問題產生，磁信號的