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1 引言

精密測(cè)量技術(shù)作為信息獲取的主要途徑，在信息產(chǎn)業(yè)中起著至關(guān)重要的作用。隨著遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，IoT）、車聯(lián)網(wǎng)（Internet of Vehicles，IoV）等技術(shù)的興起，超精密、小型化、低成本的傳感器、生物探測(cè)器、定位導(dǎo)航系統(tǒng)等關(guān)鍵傳感測(cè)量器件的產(chǎn)品市場(chǎng)需求量將迅猛增長。經(jīng)典測(cè)量技術(shù)的精度往往受限于衍射極限、散粒噪聲等因素，測(cè)量精度難以進(jìn)一步提升。而量子測(cè)量技術(shù)基于量子體系的糾纏、壓縮、高階關(guān)聯(lián)等特性，使得測(cè)量精度顯著提升，甚至可以突破經(jīng)典測(cè)量的散粒噪聲極限。量子測(cè)量技術(shù)范圍十分廣泛，不同領(lǐng)域間發(fā)展不均衡，其中某些較為成熟的領(lǐng)域正逐步向小型化、集成化、芯片化方向發(fā)展，成為產(chǎn)學(xué)研多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2 量子測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 量子測(cè)量技術(shù)的原理及特征

量子測(cè)量技術(shù)利用特定的量子體系（如原子、離子、光子等）與待測(cè)物理量（如磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等）相互作用，使之量子態(tài)發(fā)生變化，通過對(duì)體系最終量子態(tài)的讀取及數(shù)據(jù)后處理過程實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的超高精度探測(cè)。基本可以分為量子態(tài)初始化、與待測(cè)物理量相互作用、最終量子態(tài)的讀取、結(jié)果處理等關(guān)鍵步驟，具體參見圖1。量子態(tài)的初始化是通過控制信號(hào)將量子體系調(diào)控到特定的初始化狀態(tài)；與待測(cè)物理量相互作用后會(huì)導(dǎo)致量子體系的量子態(tài)發(fā)生變化，直接或間接的測(cè)量最終的量子態(tài)，再將測(cè)量結(jié)果處理轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)信號(hào)輸出，獲取測(cè)量值。量子測(cè)量技術(shù)應(yīng)具備以下基本要素：一是“測(cè)量工具”是量子系統(tǒng)，如單光子、糾纏光子對(duì)、原子、離子等；二是“測(cè)量工具”與測(cè)量對(duì)象之間相互作用，使其量子態(tài)發(fā)生變化，并且這種變化是可以通過直接或間接手段讀取的。按照對(duì)量子特性的應(yīng)用，量子測(cè)量可分為基于量子能級(jí)躍遷、基于量子相干性、基于量子糾纏的3種量子測(cè)量技術(shù)。

2.2 量子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)勢(shì)

量子測(cè)量技術(shù)可以用于探測(cè)磁場(chǎng)、電場(chǎng)、加速度、角速度、重力、重力梯度、溫度、時(shí)間、距離等物理量，應(yīng)用領(lǐng)域包括基礎(chǔ)科學(xué)研究、軍事國防、航空航天、能源勘探、交通運(yùn)輸、災(zāi)害預(yù)警等[1]。目前，量子測(cè)量的研究主要集中在量子目標(biāo)識(shí)別、量子重力測(cè)量、量子磁場(chǎng)測(cè)量、量子定位導(dǎo)航、量子時(shí)頻同步五大領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域又細(xì)分諸多技術(shù)方案，具體參見圖2。

超高精度是量子測(cè)量技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)。例如，傳統(tǒng)的機(jī)電陀螺的測(cè)量精度一般只能達(dá)到1E-6°/h量級(jí)，而量子陀螺儀的理論精度高達(dá)1E-12°/h[2]；傳統(tǒng)重力儀受落體時(shí)間間隔限制，重復(fù)率低，噪聲較大，精度可達(dá)1E-9g，原子重力儀基于冷原子干涉技術(shù)，理論上可使現(xiàn)有絕對(duì)重力測(cè)量靈敏度提高1000倍[3] ；傳統(tǒng)雷達(dá)成像的精度受衍射極限的限制，而量子雷達(dá)利用電磁場(chǎng)的高階關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行成像，分辨率可突破衍射極限，進(jìn)一步提升成像和探測(cè)精度[4]。

2.3 量子測(cè)量技術(shù)研究發(fā)展趨勢(shì)

基于量子能級(jí)的測(cè)量技術(shù)利用量子體系在待測(cè)物理量的作用下能級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（如能級(jí)間距變化、能級(jí)劈裂或簡并、馳豫時(shí)間變化等），量子體系的輻射或吸收譜可以反映出待測(cè)物理量的大小，這類量子測(cè)量技術(shù)相對(duì)成熟，已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。但部分技術(shù)方案對(duì)外界環(huán)境（如溫度、磁場(chǎng)等）要求較高，依賴于對(duì)量子態(tài)的操控技術(shù)。

基于量子相干性的測(cè)量技術(shù)主要利用量子體系的波動(dòng)特性，使兩束原子束在檢測(cè)點(diǎn)發(fā)生干涉，由于待測(cè)物理量對(duì)兩束原子的作用不相同，因此兩束原子的相位差反映了待測(cè)物理量的大小。其技術(shù)成熟度和測(cè)量精度均比較高，廣泛應(yīng)用于定位制導(dǎo)、重力探測(cè)等領(lǐng)域。但通常體積較大，難以集成化。目前，已開展小型化、可移動(dòng)化方向的研究。

以上兩類量子測(cè)量技術(shù)的小型化、實(shí)用化、芯片化已成為研究熱點(diǎn)，表1展示了近些年國際和國內(nèi)在小型化、芯片化方面的研究成果。小型化、芯片級(jí)、低功耗的高精度量子測(cè)量裝置為量子測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)商用奠定了基礎(chǔ)。

基于量子糾纏的測(cè)量技術(shù)精度理論上可以突破經(jīng)典極限，達(dá)到海森堡極限，實(shí)現(xiàn)超高精度的傳感與測(cè)量。目前，這種測(cè)量技術(shù)主要應(yīng)用于量子雷達(dá)、量子同步傳輸協(xié)議以及量子衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域。但成熟度較低，糾纏量子態(tài)的制備、操控等關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，現(xiàn)階段仍處在試驗(yàn)探索階段，產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化前景尚不明朗。

3 量子測(cè)量產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析

鑒于量子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，涉及民生、軍事國防、基礎(chǔ)科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域，多國相繼出臺(tái)各自發(fā)展戰(zhàn)略和研究計(jì)劃。中國《“十三五”國家基礎(chǔ)研究專項(xiàng)規(guī)劃》、美國《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述》、英國《英國量子技術(shù)路線圖》、歐盟《量子宣言》以及日本“量子飛躍”項(xiàng)目中都明確將量子測(cè)量技術(shù)作為重要的研究方向。歐美國家量子測(cè)量領(lǐng)域研究實(shí)現(xiàn)科研院所、商業(yè)企業(yè)、軍隊(duì)軍工、政府機(jī)關(guān)多方合作，聯(lián)合助力，共同推進(jìn)技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)研究成果落地和實(shí)用化產(chǎn)品化。目前，涉及量子測(cè)量技術(shù)的國際公司包括AOSense、μQuans、Twinleaf、Oscilloquartz、Northrop Grumman等，量子加速度計(jì)、時(shí)鐘源、雷達(dá)成像、磁力儀、陀螺儀、重力儀均已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事軍工、電信網(wǎng)絡(luò)、能源勘探、醫(yī)學(xué)檢測(cè)等諸多領(lǐng)域。

國內(nèi)量子測(cè)量技術(shù)研究的優(yōu)勢(shì)在于科研機(jī)構(gòu)數(shù)量眾多，政府十分重視，科研方面的資金投入和扶持力度都十分可觀。科研成果數(shù)量與歐美國家持平，但是部分性能指標(biāo)參數(shù)仍有數(shù)量級(jí)差距。目前，國內(nèi)量子測(cè)量技術(shù)研究的主要參與者仍是科研院所和高校，商業(yè)企業(yè)介入較少，科研院所、高校和行業(yè)公司缺乏交流與合作的平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)室研究和實(shí)際應(yīng)用需求之間存在隔閡，很難推動(dòng)科研成果落地，產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈尚未形成。目前，國內(nèi)涉及量子測(cè)量的商業(yè)公司主要集中在量子時(shí)鐘源領(lǐng)域，少數(shù)初創(chuàng)公司致力于量子雷達(dá)、量子態(tài)操控與讀取等領(lǐng)域。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，全球量子測(cè)量產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)收入逐年增長。BCC Research報(bào)告指出[12] ，全球量子測(cè)量市場(chǎng)收入額在最近兩年內(nèi)年均復(fù)合增長率（CAGR）約為10%左右，并預(yù)計(jì)在2020—2025年期間增長到約3 億美金。從圖3可以看出，原子鐘、重力儀、磁力計(jì)領(lǐng)域發(fā)展較早，技術(shù)相對(duì)成熟，占據(jù)量子測(cè)量絕大部分份額。如果按地域劃分，目前歐美國家，特別是北美收入額占比最高，預(yù)計(jì)未來5年仍將處于主導(dǎo)地位。而亞太地區(qū)，特別是中國，未來量子測(cè)量產(chǎn)品的需求量或?qū)⒄紦?jù)主導(dǎo)地位。隨著近年來國內(nèi)遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、IoT、IoV、自主機(jī)器人、微型衛(wèi)星等技術(shù)與應(yīng)用的逐步成熟，超精密、小型化、低成本的傳感裝置、生物探測(cè)器、定位導(dǎo)航系統(tǒng)等器件的需求量會(huì)顯著增長，廣闊的市場(chǎng)潛力不容小視。

4 量子測(cè)量技術(shù)在通信網(wǎng)中的應(yīng)用

未來，5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、量子通信等技術(shù)發(fā)展對(duì)時(shí)鐘同步提出了更高的需求：在3GPP R4-1802142 CR38104-f00中，對(duì)不同類型的協(xié)同增強(qiáng)同步提出要求，如多入多出和發(fā)射分集技術(shù)的時(shí)間偏差要求為65ns，對(duì)于帶內(nèi)連續(xù)載波聚合低頻基站（Sub 6G）時(shí)間偏差要求為260ns[13] ；在ITU-T立項(xiàng)G.8272.1，制定增強(qiáng)型時(shí)間服務(wù)器（PRTC+）標(biāo)準(zhǔn)，要求同步精度優(yōu)于±30ns；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中傳感器數(shù)據(jù)、音視頻文件、控制指令等對(duì)時(shí)間十分敏感，時(shí)間同步誤差絕對(duì)值要求不高于1μs[14] 。而通信網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘同步精度主要取決于時(shí)鐘源精度和同步傳輸協(xié)議的精度。因此，提高通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步精度可以從源頭和傳輸協(xié)議兩個(gè)方面進(jìn)行。

作為時(shí)鐘源頭設(shè)備的高精度時(shí)間服務(wù)器（PRTC/ePRTC），可采用衛(wèi)星授時(shí)或者超高精度地面授時(shí)。衛(wèi)星授時(shí)存在一定誤差、部署成本較高、無法覆蓋室內(nèi)場(chǎng)景，更重要的是存在可靠性和安全性隱患。地面授時(shí)通過光纖授時(shí)溯源至國家授時(shí)單位，取決于地面時(shí)鐘源的精度，目前中國計(jì)量科學(xué)研究院參與駕馭國際原子時(shí)的NIM5銫原子噴泉微波鐘的不確定度約為9E-16量級(jí)[15]。

量子時(shí)間基準(zhǔn)研究領(lǐng)域目前研究的熱點(diǎn)為原子或離子光鐘。由于時(shí)鐘的穩(wěn)定性和精度極大程度上取決于參考譜線的線寬Δν與譜線中心頻率ν的比值，光學(xué)頻率比微波頻率大約高5個(gè)數(shù)量級(jí)，且能達(dá)到更高的相對(duì)頻率穩(wěn)定性。由于光學(xué)頻率基準(zhǔn)主要基于單個(gè)囚禁離子或中性費(fèi)米子原子的頻率基準(zhǔn)，原子間相互作用引起的頻移很低，其他相對(duì)頻移如黑體輻射也很低，可以達(dá)到更好的精度。目前，由美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研制的鐿原子光鐘是全世界最好的光鐘，其不確定度可達(dá)到1.4E-18量級(jí)[16]。國內(nèi)光鐘的報(bào)道中性能最優(yōu)的是中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的鈣離子光鐘，不確定度約為5E-17量級(jí)[17]。由于還沒有電子系統(tǒng)能夠直接準(zhǔn)確地記錄每秒5E14次的光學(xué)振動(dòng)，因此光鐘在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用一度存在難點(diǎn)。光學(xué)頻率梳為超高精度同步實(shí)現(xiàn)提供了新的技術(shù)手段，可將光頻率的穩(wěn)定性和精度“傳遞”到微波頻率，使得微波原子鐘具有與光鐘相同的輸出特性，提高了時(shí)鐘輸出精度。

為了將時(shí)鐘源頭的同步信息傳遞到末端的終端設(shè)備，還需要高精度的同步傳輸協(xié)議。目前，通信網(wǎng)絡(luò)中最成熟的同步傳輸協(xié)議是1588v2，單節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步精度為±30ns。基于量子效應(yīng)的量子時(shí)間同步協(xié)議理論上可以突破經(jīng)典極限，實(shí)現(xiàn)更高精度的同步信息傳遞。

理論研究發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，量子時(shí)間同步精度極限比經(jīng)典時(shí)間同步極限提高M(jìn)N倍（N為一個(gè)脈沖中包含的平均光子數(shù)，M為脈沖數(shù)）[18]。量子時(shí)間同步協(xié)議精度理論上可達(dá)到ps量級(jí)。因此，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)開展了基于量子效應(yīng)的時(shí)間同步協(xié)議，表2列舉了目前提出的幾種量子時(shí)間同步協(xié)議的方案。量子時(shí)間同步協(xié)議的研究仍處在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，很多核心技術(shù)和關(guān)鍵問題有待突破，比如大量處于糾纏態(tài)的光子對(duì)的制備等。