光子盒研究院 光子盒 2022-05-11 18:39
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一、量子精密测量的由来
量子精密测量是对物理量的高精度、高灵敏度的测量方法和技术应用，目标是实现单量子水平的极限探测、精准操控和综合应用。精密测量是获取物理量信息的源头，随着量子光学、原子物理学等领域的发展，诺贝尔物理学奖成果的推动，以及国际计量单位7个基本物理量实现“量子化”，精密测量已经进入量子时代。
图1 量子精密测量重要发展节点
量子精密测量技术要求拥有对量子态进行操控和测量的能力，利用量子态进行信息处理、传递和传感。测量过程中的几个重要环节是：通过控制信号将量子体系调控到特定的初始化状态，与待测物理量相互作用后会导致量子体系的量子态发生变化，直接或间接测量最终的量子态，再将测量结果处理转换成传统信号输出, 获取测量值。
图2 量子精密测量过程示意图
二、量子精密测量的物理实现方式
量子精密测量的实用化产品是量子传感器。量子传感器可以产生关于电信号、磁异常和惯性导航的非常精确的信息。传感器背后的量子技术物理实现方式目前主要有以下五种。一种物理实现方式可以为不同的被测物理量提供技术支撑，例如，冷原子干涉可以用于测量磁场、惯性、时间。在实际应用中，可能需要不同的技术进行组合，达到最佳效用，例如，量子惯性导航由加速度计、陀螺仪、原子钟三种不同类型的传感器组成。
表1 主要的量子传感器技术体系
三、量子精密测量的学术进展概况
本节进展主要关注学术领域，观察期为2021年1月至2022年4月。总结来看，学术进展类型多样化，内容涉及精度提高、新技术探寻、技术应用验证等。收录的20条学术进展中，涉及时间（原子钟、光钟、时频）的有4条；涉及生物医疗（视网膜、脑磁图、新冠病毒检测、细胞荧光标记）的有4条；涉及金刚石氮空位色心的有3条，其中1条为医疗中的新冠病毒检测；其余进展涉及海森堡极限、新方法提高灵敏度、原子探测、量子气体成像、原子蒸汽、核磁共振、重力梯度仪、光腔等。
表2 量子精密测量近期学术进展
一、时间测量
按照原子跃迁能级谱线对应的频段，原子钟分为微波原子钟和光学原子钟（简称光钟，在光波段运行的原子钟）。微波钟的波段为109~1010Hz，光钟的波段为1014~1015Hz。光波段比微波波段高4~5个量级，因此，光钟被认为精度高于微波钟，是下一代的高精度时钟。
1、原子钟
（1）微波原子钟
原子钟为国际时间测量和频率标准提供依据，也为其他基本物理量测量、物理常数定义和物理定律检验提供标准。原子钟精度的提高带动基本物理量等的精度提高，促进新物理发现和科学技术进步。
微波原子钟技术已应用多年，当前主要有两个发展方向：追求更高精度、实现更小体积。例如，小型化通常以较低的频率精度为代价。当前，基于原子喷泉或热原子束的原子钟和磁状态选择原理可以达到相对的不确定性~10-15至10-16，最先进的芯片大小的原子钟具有不确定性2×10-12。
由原子钟的四大应用领域衍生的应用有卫星定位导航（GPS、Galileo、GLONASS、北斗）、国防军工（精确制导、作战指挥同步）、时间基准（信息通信、广播电视）等。以定位为例，每一颗卫星都载有多台微波段原子钟，通过对信号到达的时间做精确测量来给出用户定位信息。
（2）光学原子钟
目前光钟有两种原子体系：囚禁冷却的中性原子团、囚禁冷却的单离子。随着光子集成、激光和微机电技术的发展，光钟可以实现较小的体积和较高的精度，有望广泛应用于对体积、质量、功耗和精度敏感的各种国防装备中。
NIST研制的锶原子光钟，在不确定度上达到10-18量级、稳定度达到10-19量级，相比微波原子钟进步了至少两个数量级。DARPA在2022年1月公布其寻求将光钟从实验室转移到作战中。中国科学家发展的钙离子光钟的不确定度与稳定度均进入10-18量级。中国预计在2022年7月将问天实验舱和梦天实验舱发射升空与空间站对接，梦天实验舱上将搭载三组冷原子钟，其由氢原子钟、铷原子钟、光钟组成，将构建时间频率实验室。
（3）芯片级原子钟
芯片级原子钟（CSAC）是在原子钟技术成熟下，对尺寸小、重量轻、用量大的高精度时钟提出新需求。CSAC包括芯片级微波原子钟和芯片级光学原子钟。芯片级微波原子钟与小型恒温晶振相比，体积和功耗上相近，但是长期稳定度高3个量级以上。小型恒温晶振的体积和功耗要比铷原子钟小近2个量级。芯片级光学原子钟是其工作原理与微波原子钟相似，除了跃迁频段不同之外，其频率发生器是稳频激光器而不是微波原子钟的晶体振荡器。芯片级光钟比芯片级微波钟具有更高的理论精度。芯片级原子钟的与微惯性测量组合和卫星导航技术相结合，形成微型导航定位授时单元，广泛应用于国民经济、军事领域和国家安全等方面。
2001年，DARPA资助科研院所、大学和企业联合研发芯片级原子钟，目前地质学、地震学、石油勘探、电网运营和金融服务行业已从芯片级微波原子钟获益。2019年，NIST提出芯片级光钟，其铷原子气室和两个频率梳是用与计算机芯片相同的方法微加工的，这意味着它们可以支持电子和光学的进一步集成，并且可以大规模生产，是商业上可行的紧凑光学原子钟。芯片级光钟有可能变小到可手持使用，可能会在导航系统和电信网络等应用领域取代传统的振荡器。
图3 美国DARPA和NIST芯片级时钟部件展示
2、分子钟
分子钟特别是芯片级分子钟（CSMC）是由于原子钟、芯片级原子钟的价格昂贵，但时代发展对高精度时钟有大量需求的背景下，MIT研究人员于2018年首次发明。CSMC以极性气体分子在毫米波/太赫兹频段的旋转波谱为频率参考，通过硅基CMOS片上集成波谱系统SoC，实现高稳定性、低成本、快速启动的便携式时间基准。目前芯片级分子钟正在逐步向小规模产业化推进，该技术具备取代传统小型化原子时钟和高端恒温晶振的潜力，在5G/6G无线接入网络时钟同步和微型定位导航授时（μPNT）设备中具有广阔的应用前景。
二、重力测量
重力传感器通过测量地球表面不同位置的重力加速度、重力梯度，来描绘地球内部结构、地壳构造，用以勘探矿产资源、辅助导航等。本节主要介绍基于冷原子干涉的重力传感器，该技术相对成熟，在极度温度下对其质量相互作用的力很敏感，测量精度较高。下文列举了两个最重要的量子重力传感器，分别是应用于地质勘探的原子干涉重力仪和重力梯度仪。
1、原子干涉重力仪
基于原子干涉技术路线的量子重力仪是发展最为成熟的。它可以和重力梯度仪一同使用，进行探测地下结构、车辆检查、隧道检测、地球科学研究，有望降低土木工程和地质调查的成本，并能够作为一种基础物理应用检测的可能替代方法。
美国、法国等少数几个国家已解决了冷原子干涉系统的长期稳定性和集成问题，正着力于攻克高动态范围和微小型化等应用难题，产品进入实用化阶段。中国的华中科技大学已于2021年将研制的实用化高精度铷原子绝对重力仪交付中国地震局地震研究所，是首台为行业部门研制的量子重力仪，意味着中国量子重力仪研究进入国际第一梯队。
2、原子干涉重力梯度仪
基于原子干涉仪的重力梯度仪具有很高的理论测量灵敏度，并可实现低漂移和自校准。此外，它基于全常温固态器件，具备工程化的优势，因而受到广泛关注。其组成一般包括两个分开一定距离的同时运行的原子干涉仪，通过比较两个原子干涉仪对重力梯度进行测量，并且同时差分测量重力梯度具有能抑制共模噪声（例如地面振动噪声和拉曼光相位噪声）的优点。重力梯度仪在资源勘探、地球物理学、惯性导航和基础物理研究等领域具有重要作用。
三、量子导航
根据定位方式的不同，量子导航分为量子有源导航系统和量子无源导航系统（量子惯性导航系统）。目前基于传统机械和光学的惯性导航存在漂移误差。为了满足未来高精度、全地域完全自主可靠的导航需求，原子干涉技术的新型惯性器件被提出和深入研究。本节将主要介绍量子惯性导航系统的原子干涉陀螺仪和原子干涉加速度计。
1、原子干涉陀螺仪
原子干涉陀螺仪基于萨格奈克效应测量载体的旋转角速度，是一种实现高精度角速率测量的新型惯性器件，惯性导航功能通常由它与原子加速度计结合实现。例如，通过加速度计（用于测量车辆的加速度）和陀螺仪（用于测量其旋转）识别运动速度和方向，从而推断出车辆的位置。与传统的惯性测量技术相比，新技术可能会减少长期误差，并且在某些情况下最大限度地减少了对声纳或地理定位系统的需求。此外，惯性导航系统具有自主性，不受时空和外部环境限制，在国家安全等领域具有重要的应用价值。
2、原子干涉加速度计
原子干涉加速度计发展通常是伴随冷原子干涉陀螺仪。理论上，量子加速度计的精准度比传统惯性器件高几个数量级。例如，2018年英国研制出一种名为量子定位系统（QPS）的量子加速度计，在潜艇行驶中，利用传统的惯性导航系统一天偏移距离能达到1公里左右，而QPS一天的偏移距离只有一米。
冷原子干涉加速度计与原子干涉重力仪原理相近，前者通过拉曼光的传播方向定义惯性测量的方向，后者测量时原子做自由落体，拉曼光沿着重力方向传播，所以冷原子干涉加速度计的性能与重力仪相当。通过拉曼矢量的变换和原子干涉信息的空间解算，可以实现多自由度冷原子干涉惯性测量单元。
图4 M Squared公司研发的冷原子量子加速度计
四、磁场测量
2003年，科学家们把具有飞特斯拉（10-15T）量级超高灵敏磁场探测能力的磁场探测器统称为超灵敏原子磁力计。当前，量子磁力计主要有超导量子干涉器件（SQUID）和各类原子磁力计，常见的有光泵磁力计（OPM）、非线性磁光旋转（NMOR）磁力计、无自旋交换弛豫（SERF）磁力计、金刚石NV色心磁力计等。其中，SQUID发展时间最久，商业化较为成熟。目前最受关注的磁力计技术路径为：碱金属原子蒸气磁力计（主要包括OPM和SERF磁力计）与固态体系的金刚石NV色心磁力计。
1、超导量子干涉器件磁力计
超导量子干涉器件（SQUID）磁力计的原理基于超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象，能将磁场的微小变化转换为可测量的电压，在生物磁测量、大地测量、无损探测等方面获得了广泛的应用。目前，SQUID磁力计在脑磁图方面商业化最为成熟，处于行业主导地位，是应用最广的量子磁力计，但该系统需要液氦对工作环境制冷，从而带来的运行成本高、装置复杂、造价昂贵，以及探头距头皮位置较远带来的测量精准度问题，限制其大范围推广应用。
2、碱金属原子蒸气磁力计
碱金属原子蒸气磁力计无须使用低温超导磁体，仅需要常温或高温的原子蒸气室和光源，是一种有效的、测量微小磁场变化的激光探测仪器。目前最灵敏的原子磁力计的灵敏度已优于SQUID，可支持生物样品的非侵入性测试和表面科学研究，对空间分辨率自旋成像领域有很大价值。
原子磁力计目前实用化方向主要是生物医学领域，例如，神经功能研究，为了解和治疗阿尔茨海默病、帕金森病等提供了更全面的支撑。例如，当前医院使用的脑磁图（MEG）诊断方式是通过SQUID获得磁场数据，设备占地面积大、价格昂贵、需液氦制冷、维护成本高，不利于大规模推广应用。
SERF和OPM实现了磁力测量设备的小型化。SERF原子磁力计具有对低频信号敏感、室温运行、功耗低、小型化、可穿戴等优点，分辨率也与SQUID接近或超越，适合大规模推广应用。至于OPM磁力计，2021年，诺丁汉大学与Magnetic Shields公司合作设立的Cerca Magnetics公司，推出了新型的可穿戴式脑磁图扫描仪（OPM+MEG）。
图5 Cerca Magnetics公司研发的可穿戴OPM
3、金刚石氮空位色心磁力计
前面所述几种原子磁力计所用媒质均为气体状态下的碱金属原子，并用玻璃泡封装做物理探头，而金刚石氮空位（diamond nirtogen-vacancy）磁力计基于固体媒质，其因具有极高的空间分辨能力而受到关注。NV色心磁力计原理是单电子自旋比特的相干操纵，特点是无需低温冷却即可保证生物相容性和高灵敏度。
当前NV色心磁力计对磁场的灵敏度比SQUID或原子磁力计差，但该材料的生物信号成像在理论上接近光学衍射极限，有望达到微米级的空间分辨率，这是其他竞争技术无法实现的，适合生物传感的优点，被广泛应用在生物大分子和基础物理等方面的研究中。在灵敏度指标上，己实现纳米尺度分辨率，可测得单核自旋的灵敏度。与SQUID和原子磁力计不同，NV色心磁力计不需要从地球磁场屏蔽以实现最大值灵敏度，无需磁屏蔽。在应用方面，基于系综NV色心的磁力计己测得了蠕虫神经元产生的磁信号、涡流成像、古地磁学中的矿石检测等。
图6 一种用于生命科学领域的金刚石氮空位色心磁力计原型
五、量子探测成像
随着量子信息技术的发展，量子成像以其探测灵敏度、成像分辨率可以突破传统相机的经典极限限制以及非局域成像、单像素成像、无透镜成像等优点，在高分辨率成像、非相干成像、恶劣条件下成像等方面具有广阔的应用前景，引起了科学家们广泛关注，目前正朝着实用化的方向迈进。
量子成像利用光子相关性，允许抑制噪声并提高想象物体的分辨率。目前技术路径有SPAD（Single Photon Avalanche Detectors）阵列、量子幽灵成像（也称重合成像或双光子成像）、亚散粒噪声成像、量子照明等。量子成像应用场景可能为3D量子相机、角落后相机（Behind-the-corner cameras）、低亮度成像和量子雷达或激光雷达等。本节主要介绍量子探测成像的主要应用——量子雷达。
量子雷达
量子雷达作为一种新型传感器有望探测隐形平台，它可以丰富目标信息的维度、消除一些背景噪音，有优于经典雷达的性能，从而识别隐身目标（如飞机、导弹、水面舰艇）。然而隐身系统对军方尤为重要，因此量子雷达尤其受到美国、俄罗斯和中国（该三国是隐形战机的主要国家）军方的关注，是军方提升攻击和防御能力的重要技术辅助。量子雷达的研究还处在初期阶段，存在一定局限性，例如探测范围不及传统雷达，目前还无作战价值。量子雷达工程化开发仍然存在巨大挑战，同时考虑到造价成本，未来有望部署在一些特殊地区完成任务。
量子雷达根据发射端和接收端工作模式的不同为三类：一是量子发射、经典接收，如单光子雷达；二是经典发射、量子接收，如量子激光雷达；三是量子发射、量子接收，如干涉量子雷达和量子照明雷达。
量子雷达的研究主要围绕量子纠缠干涉、量子照明和量子相干态接收三方面。量子雷达研究的典型代表是2007年美国国防部高级研究计划局启动的量子传感器项目和量子激光雷达项目。2018年，在中国国际航空航天博览会上，中国电科展示了一种量子雷达系统。2020年，由奥地利科学技术研究所、美国麻省理工学院、英国约克大学和意大利卡梅里诺大学人员组成的研究组展示了一种利用纠缠微波光子的量子照明探测技术，基于该技术的量子雷达受背景噪声影响小、功耗低，探测远距离的目标不会暴露，该技术在超低功耗生物医学成像和安全扫描仪方面具有潜在的应用前景。
六、总结与观点
1、OPM磁力计、冷原子干涉和金刚石氮空位色心是当前重点发展技术
在脑磁测量领域，高灵敏的OPM磁力计具有比传统的SQUID磁力计低许多的制造和运行成本，这使得OPM磁力计在基础物理和实际应用研究中得到大量关注与研究，是目前国际上公认的下一代脑磁图仪器的发展方向。此外，在五个最具潜力的量子传感器物理实现方式中，冷原子干涉和金刚石氮空位色心是目前各学术团队、各国家发展较快的技术，提及频次高，受关注度高，且已经商业化的量子传感器中，也多为这两项技术，例如冷原子干涉重力仪、量子钻石原子力显微镜等。
2、原子钟技术稳健发展，时钟向更高精度（光钟）和小型化（芯片钟）发展
时钟和时频同步关系到国防安全、社会生活、科学研究的方方面面，甚至其他一些量子精密测量应用都需要依赖原子钟，因此，时钟领域的研究始终是各国的重中之重。原子钟的发展历程最久，最早了进入商业化阶段，但当前仅有极少数国家掌握了原子钟技术，这些国家主要研究方向主要为：向更高精度的微波原子钟及光钟技术推进；研究设备的小型化与冷却技术，将量子传感器集成到一个量子惯性测量单元中，用于冷却原子并同时保持相干性的激光冷却装置的小型化（抑制与嘈杂环境的相互作用）。
一、北美
北美在全球各大洲中量子精密测量领域整体技术实力最强的地区，主要研究国是美国和加拿大。并且，从发表的高水平期刊文章的研究团队也可看出两国在量子精密测量领域开展了合作研究。
美国
美国自2018年发布国家量子倡议（NQI）法案以来，量子精密测量作为NQI的一个重要发展的领域，几乎涉及所有美国量子技术报告。
表3 美国涉及量子精密测量的主要报告
下表中提及的大学和研究机构为美国较为典型性的量子精密测量的参与方，此外，哈佛大学、西北大学和耶鲁大学等也有量子精密测量研究。
表4 美国主要量子精密测量研究机构
加拿大
国家研究委员会（NRC）是加拿大最大的研究和技术组织，2021年以来先后推出“量子光子传感和安全（QPSS）计划”、“物联网：量子传感挑战计划”两项与量子精密测量相关的国家科技实施计划。
表5 加拿大主要量子精密测量研究项目
表6 加拿大主要量子精密测量研究机构
二、欧洲
欧洲量子精密测量领域技术为实力最强的是英国、德国和法国，同事，瑞士、奥地利、丹麦等国也不同程度的参与了量子精密测量研究，以下主要为英、德、法三国量子精密测量研究情况。
英国
2014年，英国形成了协调一致的国家量子技术计划（UK National Quantum Technologies Programme: NQTP），该计划是政府科研机构（EPSRC、STFC、IUK、Dstl）与 国家物理实验室（NPL）、商业、能源和产业战略部（BEIS）、政府通信总部（GCHQ）、国防部（MoD）和 国家网络安全中心（NCSC）一起建立发展伙伴关系的十年计划。2020年，发布的《NQTP策略意图》报告显示，NQTP国家中心有4大分支，其中与量子精密测量相关的是UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing（英国量子传感和计时技术中心）和The UK Quantum Technology Hub in Quantum Imaging（英国量子成像技术中心），参与其中的大学包括格拉斯哥大学、赫瑞瓦特大学、伯明翰大学、诺丁汉大学、南安普顿大学、帝国理工学院、布里斯托大学、艾塞克特大学、萨塞克斯大学。
德国
2021年3月，德国发布《国家量子系统议程（Agenda Quantensysteme 2030）》，这是一项十年计划，其中涉及量子精密测量领域。
德国成立慕尼黑量子科技中心（MCQST），参与大学为路德维希马克西米利安大学（LMU）和慕尼黑工业大学（TUM），合作研究所为马克斯普朗克光科学研究所（MPQ）、瓦尔特・迈斯纳研究所（WMI）和德国博物馆。
表7 德国主要量子精密测量研究项目
法国
2021年1月，法国宣布了一项主要发展量子科技上游的国家战略PEPR（Programme et équipement prioritaire de recherche）由CNRS（法国国家科学研究中心——法国最大的政府研究机构）、CEA（法国原子能和替代能源委员会——法国政府自主的能源、国防和安全、信息技术和衍生技术领域的研究机构）和INRIA（法国国家信息与自动化研究所）试点，是该战略的上游研究组成部分。此外，参与量子精密测量研究的非私营机构还有Institut Fourier（傅里叶研究所）、Institut Néel（尼尔研究所）、LPMMC（凝聚态介质物理和建模实验室）、Pheliqs（光子电子与量子工程实验室）、SPINTEC（自旋电子实验室）、CEA-Tech（工业技术研究实验室）、UGA（格勒诺布尔-阿尔卑斯大学和波尔多大学等。
表8 法国主要量子精密测量研究项目
除了法国政府支持的量子精密测量研究外，法国Thales（泰雷兹）集团是法国在航空航天、国防、地面交通运输、安全和制造电气系统领域的供应商，每年向量子技术投资10亿欧元在量子传感器、量子通信和后量子密码领域。在量子传感器领域的研究为：
1、超导量子干涉器件（SQUID）。以开发微型量子天线，以检测射频频谱中很大一部分的通信信号，并提供竞争优势，特别是在低频下。这些超导装置可以在脑成像和粒子检测等领域应用。
2、固态量子传感器。例如金刚石氮空位色心，已经证明它们能够测量极其细微的磁场。这种类型的超灵敏传感器可用于多种应用，从生物传感器到磁共振成像（MRI）和金属缺陷检测。
3、利用稀土离子表征和处理射频和光信号。基于稀土离子的连续宽带射频频谱分析仪提供了一种缓解网络拥塞和优化频率利用的方法，还可应用于军事情报。
4、用于飞机的基于冷原子技术的量子惯性导航系统。一架从巴黎起飞的仅配备常规惯性导航系统的飞机可以在几公里以内的精度降落在纽约。借助新型量子传感器，飞机将能够以一米以内的精度导航和着陆。
三、亚洲
亚洲的国家中，日本在光技术、机电工程、仪器设备等领域积累深厚，为其发展量子精密测量提供了良好祭奠；中国在量子信息科技领域着力发展量子计算和量子通信并取得较好的成果，但未来潜在的高端仪器设备、传感器等领域“卡脖子”的风险依然很高，中国也逐渐加强量子精密测量领域的发展。
中国
2022年1月，国务院印发《计量发展规划（2021-2035）》，提出加强计量基础和前沿技术研究。实施“量子度量衡”计划，重点研究基于量子效应和物理常数的量子计量技术及计量基准、标准装置小型化技术，突破量子传感和芯片级计量标准技术，形成核心器件研制能力。研究人工智能、生物技术、新材料、新能源、先进制造和新一代信息技术等领域精密测量技术。
2022年2月，科技部发布《“十四五”国家重点研发计划“基础科研条件与重大科学仪器设备研发”重点专项2022年度项目申报指南（征求意见稿）》。2022年3月，科技部发布《“十四五”国家重点研发计划“地球观测与导航”重点专项2022年度项目申报指南（征求意见稿）》。
表9 中国主要量子精密测量研究机构
日本
Q-LEAP是日本的量子科技计划，执行期是2018年至2029年，在量子精密测量领域，日本发布了2项旗舰项目和7项基础研究。
表10 日本Q-LEAP量子精密测量的旗舰项目
其中，通过固态量子传感器的先进控制创建创新的传感器系统项目的研发目标是：开发具有高灵敏度和高空间分辨率的脑磁图（MEG）原型；开发用于监控电池和功率设备中的电流和温度的系统的原型。
表11 日本Q-LEAP量子精密测量的基础研究
四、总结与观点
1、全球主要科技国已部署量子精密测量战略，实施计划基本明确
各主要科技国都在近些年以官方形式宣布将量子精密测量纳入重点科研计划，并上升至国家战略层面。不同国家实施细节、公布方式有所差异，可能是国家对相关技术的认知度、本国相关技术先进程度等造成的。例如，仅有美国发布了独立的量子传感器报告，并将美国过去和未来研究的量子传感器作以介绍，明确了美国量子传感器未来主要发展方向及其潜在价值。其他国家并未发布独立的量子传感器报告，与量子传感器相关的实施策略往往出现在量子科技报告（含量子计算、量子通信、量子精密测量）中。中国的“十四五”规划或其他纲领性文件中并未详细指明中国在量子精密测量里将要取得哪些重点突破。不过，从中国各主要量子精密测量科研院所和大学的研究方向中可初见端倪。英国已明确2大研究中心，专注一量子精密测量领域的研究。其他上述主要科技国也在官方渠道（网站、报告等）不同程度指明量子精密测量发展计划。
2、各国研究量子精密测量的细分领域、研究主体、研究方式有所差异
从各国的量子精密测量技术实施计划来看显示，不同国家支持和推进量子精密测量技术发展的方式有一定的差距，这和国家经济实力、科研机构数量、量子相关技术积累程度、科研人才数量有着密切关系。例如，德国作为工业强国，有与其他国家不同的科研技术转化组织和体系，像Fraunhofer（弗劳恩霍夫）这样以利用科学技术创造新型产品和应用的模式，有利于新技术的推广。再比如，日本将“利用高灵敏度重力梯度传感器建立地震预警方法”作为量子战略的基础研究项目，主要原因可能还是日本是地震多发的国家，且日本当前量子重力仪领域无突出产品或技术。
3、欧美国家合作紧密程度高于亚洲国家
绝大多数国家的科技政策或量子精密测量发展政策中都表现出合作的意愿和态度。欧美国家在语言和文化上与亚洲国家还是存在较大差异，受语言、文化、地域等影响下，从发表的高水平论文作者及机构、量子技术研究联盟、量子产业生态联盟、国家量子合作签署等方面都可以看出，欧美在量子技术发展的各个领域合作频繁、涉及面较广。例如，尽管中国始终强调国际化、开放化，也有一些顶尖学府长期与国外研究团队合作，但受限于语言、文化、政治等因素，以及全球新冠肺炎疫情导致的限制出行政策，都使得在前沿技术的共研、交流、合作方面，与世界主要科技国的合作紧密程度不及欧美。
一、量子精密测量产业生态概况
量子精密测量领域的产品和技术种类较多，产业生态尚在发展中，但微波原子钟、SQUID磁力计、冷原子重力干涉仪、原子力显微镜、电子顺磁共振波谱仪等相对成熟的产品其细分行业产业链已清晰；其他已在实验室完成原型机或逐步商业化的产品其产业链也已逐渐清晰。
产业链上游基本为美国、英国、德国、日本的企业，提供可为量子系统使用的激光、低温系统、磁体环境、真空系统、电子元器件、线缆、材料（特殊金属、金刚石、稀土等）等。
产业链中游主要为量子时钟、量子磁测量、量子重力测量、量子科研和工业仪器设备等的供应商。中游企业通过对上游产品进行一定的集成，以及开发与产品配套的软件或系统，提供整体解决方案，产品为原子钟（微波钟、光钟）、量子磁力计（SQUID/OPM/SERF/NV色心）、冷原子干涉重力仪、陀螺仪、加速度计、原子力显微镜、电子顺磁共振波谱仪、量子雷达等。
产业链下游为应用方，即中游产品或技术的采购方，一般为地理定位系统开发及运维方、国防军工单位、大学及科研院所、国家政府部门（地震局、地质局、天文台、授时中心等）、航空航天企业、能源勘探企业、生命健康企业、汽车制造企业、电信网络企业、广播电视企业、金融企业（银行、证券交易所等）等。
图7 量子精密测量产业生态
注1：以上公司LOGO仅出现1次，个别公司产品涉及多个领域，例如，AO Sense提供原子钟和量子重力仪；国仪量子提供量子磁测量和量子科研仪器。注2：目前量子雷达已有国耀量子和中国电科涉及，但全球商业化公司极少，纳入“其他量子设备”中。
1、量子时钟时频
目前商业化的产品主要是各类微波原子钟（铷钟、氢钟、铯钟）、微波芯片级原子钟，以及时频同步类产品（协议）。正在商业化的有光钟和芯片级分子钟，例如，瑞士Oscilloquartz公司的光学铯原子钟解决方案已于2022年4月在日本TOYO Corporation部署。
全球拥有原子钟技术的国家中，美国和欧洲的商业化公司较多；其他地区商业化的公司极少，技术主要掌握在国家计量标准制定及研究相关院所。全球原子钟供应商有：氢原子钟——Symmetricom（美国）、KVARZ（俄罗斯）、T4 Science （瑞士）、上海天文台（中国）；铯原子钟——Oscilloquartz SA（瑞士）、Microchip（美国）、天奥电子（中国）、星汉时空（中国）、同相科技（中国）；铷原子钟——VREMYA-CH（俄罗斯）、Stanford Research Systems（美国）、Frequency Electronics（美国）、SpectraTime （瑞士）、AccuBeat （以色列）、航天科工（中国）。
2、量子磁测量
尽管磁测量可以应用在地理地质、生物医药等领域，但目前商业化较为成熟的是SQUID磁力计（脑磁、心磁、生物磁），OPM、NMOR、SERF磁力计的研究已展开多年，OPM的商业化也进入初期。
以中国为例，近几年招投标信息显示，脑磁图设备的采购方主要为医院、大学和研究院所，上海瑞金医院、首都医科大学附属北京天坛医院、四川大学华西医院等均引进了MEGIN公司的脑磁图设备，提供癫痫诊断和癫痫灶术前定位、神经外科术前脑功能区定位、精神病和心理障碍疾病诊断、缺血性脑血管病预测和诊断、外伤后大脑功能的评估鉴定、司法鉴定和测谎。中国科学院、深圳大学等高校也引进脑磁图设备。磁力计及生命健康领域磁测量仪器设备的全球供应商有：SQUID技术——MEGIN（芬兰）、Compumedics Neuroscan（澳大利亚）、CTF MEG（加拿大）、RICOH USA（美国）、苏州卡迪默克（中国）、漫迪医疗（中国）；OPM技术——QuSpin（美国）、Cerca Magnetics（英国）、FieldLine（美）。
3、量子重力测量
量子重力测量的主要产品有冷原子干涉重力仪、冷原子陀螺仪与加速度计，但这一领域当前成熟的公司极少，目前市场中的参数较好的重力仪是超导重力仪，其原理不同于基于冷原子干涉技术的量子重力仪。原子干涉重力仪具有更好的测量精度与稳定性，且可以实现测量绝对重力值和监测相对重力变化的双重功能。目前量子重力仪供应商有Muquans/iXblue（法国）、AOSense（美国）、Teledyne-e2v（英国）、中科酷原（中国）、微伽科技（中国）等，主要为地理地质研究、海洋研究、海上作业、惯性导航、航空器研究等相关的研究所、大学和相关政府单位、企业提供产品与技术。
图8 量子重力仪外观对比图
4、量子科研和工业仪器
量子精密测量科学仪器设备主要为生物医药、材料、纳米技术等领域提供实验室或工业领域高端仪器设备，AFM和EPR/ESR都是成熟的商业化产品。
AFM是一种扫描探针显微镜（SPM），是研究纳米尺度样品最通用、最强大的显微镜技术，AFM能够以原子级分辨率生成具有埃量级高精度信息的图像。AFM的供应商较多，北美有美国和加拿大；欧洲有英国、德国、法国、瑞士、俄罗斯、奥地利、意大利、匈牙利；亚洲有日本、以色列、中国。根据2020年中国采购AFM中标情况，供应商主要选中Bruker（美国）、Asylum Research Oxford Instruments（英国/美国）、Park Systems（韩国）、Nanosurf（瑞士）、Shimadzu /岛津制作所（日本）、Scient Omicron（德国）、SPEC集团（德国）、国仪量子（中国）等。
EPR是一种通用的无损EPR分析技术，用于检测、分析和确定物质中不成对电子的特性，研究含自由基或过渡金属离子样品的微观结构信息和动态信息。EPR/ESR的供应商有Adani Systems（美国）、Active Spectrum（美国，EPR业务被Bruker收购）、Magnettech GmbH（德国，EPR业务被Bruker收购）、JEOL（日本）、国仪量子（中国）等。根据近些年中国采购EPR的中标情况，供应商主要选择Bruker（美国）、国仪量子（中国）。
二、产业链主要市场参与者概况
根据量子精密测量产业生态图，将中游市场化的供应商进行国家/地区、技术领域标注，可以看出，全球当前主要的量子精密测量市场参与者主要分布在北美（美国22家、加拿大2加）和欧洲（25家）；其次是亚太地区，中国（17家）、日本（6家）、韩国（2家）、新加坡（1家）、澳大利亚（3家）。美国、欧洲、中国在时间时频、磁场测量、重力测量、科研和工业仪器等方面均有涉及。中国还在量子雷达领域拥有原型机和商业化公司，但中国。日本与韩国目前在磁场测量、科研和工业仪器方面发展比较成熟，但在时间时频与重力测量领域仍保持在实验室研究阶段，还没有企业可以提供具体产品。加拿大与澳大利亚在磁场测量、科研和工业仪器方面有所涉及。新加坡在重力测量领域有一家初创公司提供量子重力仪相关产品与服务。
图9 量子精密测量主要市场参与者分布
三、量子精密测量典型企业简介
1、北美
Geometrics Inc.
美国公司，成立于1969年，产品分为地震仪、磁力计、地电仪器，已为工程和基础设施应用、油气勘探、采矿和矿产勘探、地址调查、考古学、未爆弹药检测、环境/地下水研究、安全与检测领域提供解决方案。
图10 Geometrics公司产品图
Microchip Technology Incorporated
美国公司，成立于1989年，是智能、互联和安全嵌入式控制解决方案的领先供应商，产品体系丰富，其中，时钟和计时（Clock &Timing）领域产品——芯片级原子钟（CASC）于2011年推出，是世界上第一个商用芯片级原子钟，用于地震研究或油气勘探的水下传感器、军事系统（包括拆卸式简易爆炸装置干扰器、拆卸式无线电、GPS接收器和无人驾驶飞行器），2001年由DARPA 资助，参与者包括NIST、桑迪亚实验室、Symmetricom（现为Microchip，Microsemi的母公司)、Teledyne Scientific公司等。
图11 芯片级原子钟示意图
AO Sense
美国公司，成立于2004年。公司在精密导航、时间和频率标准、重力测量领域，的创新原子光学传感器的领先开发商和制造商。所提供的产品主要包括陀螺仪、加速度计、惯性测量单元（IMU）、重力仪、重力梯度仪和原子频率标准等，产品体系丰富。公司为DARPA、空军、陆军、海军、NASA、NSF、DTRA 和情报界资助的众多政府资助项目设计和建造了最先进的冷原子技术。曾经获得过美国国防部SBIR/STTR项目资助。
ColdQuanta
美国公司，成立于2007年。公司专注于冷原子量子技术，当前产品包括特高压玻璃电池、冷原子源、磁光阱、阿尔伯特：量子物质机器、俘获离子装置、原子钟、射频接。公司已为国防部、海军研究办公室开发便携式原子钟，这一新的原子钟可以实现精确计时，为基础设施提供GPS支持。
图12 ColdQuanta公司原子钟产品图
QuSpin
美国公司，成立于2012年，专注于光学原子磁力计（OPM）制造，为生物医学和地球物理应用制造光学原子磁力计。在量子精密测量领域，目前已拥有零场磁力计（QZFM）与全场磁力计（QTFM）。零场磁力计是一种超灵敏矢量磁力计，可在低场环境中工作，主要应用在脑磁图（MEG）、胎儿心磁图（fMCG）、磁松弛测量（magnetic relaxometry）等方面。全场磁力计是一种紧凑的高灵敏度标量磁力计，可以在地球的磁场中运行，可以解决非常微小的场变化，主要应用在地球物理学、空间、矿物和能源勘探、未爆弹药探测等方面。
图13 Quspin公司磁力计产品图
2、欧洲
Bruker
起源于德国，成立于1960年，在美国纳斯达克证券交易所上市，已发展为全球性企业，公司产品与解决方案分为磁共振（包括电子顺磁共振波谱仪等）、显微镜（包括原子力显微镜等）、元素分析仪、成像解决方案、半导体解决方案等15类产品与解决方案，应用在生命科学研究、制药、生物技术、应用市场、细胞生物学、临床研究、微生物学、体外诊断、纳米技术和材料科学研究领域。公司是磁共振波谱仪器的市场领导者，包括NMR、时域NMR、EPR和临床前磁共振成像（MRI），是应用于NMR和MRI解决方案的超导磁体和超高磁场磁体的领先制造商。
TOPTICA Photonics
德国公司，成立于2003年，是一家光学仪器技术公司，在量子精密测量领域，公司提供可调谐二极管激光器，主要用于极限测量属性和测试理论，例如时间和频率、基本常数和基本理论检验、原子干涉仪、旋转和加速、基于激光的痕量气体分析（ATTA、RIMS）、用于B场测量的非线性磁光旋转、心磁图（测量心脏磁场）、脑磁图（测量大脑神经元磁场）。
M Squared Laser Ltd.
英国公司，成立于2003年，是一家光子学和量子技术公司，已为前沿科学、量子技术、化学传感（环境和遥感、国防和安全）、生物光子学（显微镜和疾病检测）等应用领域提供解决方案。 产品分为四类：激光、显微镜、量子、仪器仪表（ICE BLOC系列，用于实验室的激光平台）。作为量子传感器、计时和计算领域的全球领导者，M Squared已经实现了多项英国第一台商用量子重力仪和第一台商用量子加速度计，其产品组合还包括互补的光学系统和电子产品。凭借在高端量子产品工程和商业化方面的强大血统，该公司正在开发基于中性原子和离子的量子计算机、用于重力、加速度和旋转的惯性传感器以及量子计时设备。
μQUANS SAS
法国公司，成立于2011年，专注于高性能仪器，是世界上第一家在工业规模上开发激光冷却量子操纵技术的公司，提供了基于这一突破性技术的完整解决方案，包括量子重力仪、原子钟、光纤频率传输系统和高性能激光系统。公司曾为法国国防部研制舰载量子重力仪，曾在意大利埃特纳火山部署量子重力仪。公司于2021年被iXBlue收购，同时被收购的还有Kylia（成立于2003年，光学元件和仪器领域），iXBlue旨在成为欧洲光子学和量子技术的新领导者。
Qnami AG
瑞士公司，成立于2017年，技术起源于瑞士巴塞尔大学物理系，已推出第一台氮空位中心技术的扫描探针量子显微镜系统ProteusQ™，配备了最先进的电子设备和软件。它的应用包括材料表征、集成电路中的电流成像、自旋电子学、非易失性存储器、二维材料、生物系统、量子设备等。公司开发了专为纳米级成像设计的量子传感技术，实现从科学仪器到计量学和医学成像的应用。
2020年7月，Qnami和HORIBA公司（先进研究和工业提供测量和分析解决方案的全球领导者）宣布达成合作，主要为：继续在量子原子力显微镜方面联合研究，利用各自在近场光学和材料科学领域的互补核心竞争力：表面分析和纳米显微镜、基于金刚石的量子传感和磁力测量；HORIBA将为Qnami提供原子力显微镜核心组件；HORIBA将通过其在欧洲、中国、日本亚洲其他地区和美洲建立的分支机构网络成为Qnami ProteusQ™的全球独家经销商。
图14 Qnami公司ProteusQ量子显微镜系统产品图
3、亚洲
JEOL
日本公司，日本电子株式会社，成立于1949年，在东京证券交易所上市。公司业务为科学计量仪器（电子光学仪器、分析仪器、测量仪器）、半导体设备、工业设备、医疗设备的制造、营销、开发和研究，相关产品和零部件的加工、维修和服务，以及采购和采购周边产品的销售。主要产品为透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、核磁共振波谱仪（NMR）、电子自旋共振光谱仪（ESR）、质谱仪（MS）、薄膜形成和材料加工工业设备等。
图15 JEOL公司ESR和SEM示意图
HAMAMATSU
日本公司，滨松光子学，成立于1953年，在东京证券交易所上市。主要产品线为光电倍增管、成像设备、光源、光半导体、成像和分析系统，为量子成像、量子通信、量子计算提供组件支持。以量子成像为例，公司提供提供ORCA-Quest qCMOS享机，能够解析光子数；提供ImageEM X2 EM-CCD相机，可以检测到具有足够灵敏度的单光子，使研究人员能够观察到量子纠缠等现象；提供LCOS-SLM反射型空间光调制器，可以通过液晶自由控制光的相位；提供高压钠灯，一种能够以高灵敏度、快速响应和低抖动检测光子的光子探测器。
图16 HAMAMATSU公司产品示意图
国仪量子（合肥）技术有限公司
中国公司，成立于2016年，技术源于中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室。国仪量子是一家以量子精密测量为核心技术、以高端科学仪器为主要产品的国家高新技术企业，主要从事量子精密测量、量子计算和高端科学仪器等技术和相关产品的研制、生产与销售。公司拥有量子传感器加工工艺、高精度量子调控技术、量子原级基准、超越经典极限的弱信号探测等世界领先的核心技术，产品已交付到海内外数百家客户，同时致力于用量子技术赋能各行各业，在石油勘探、生命科学、先进材料、能源电力等领域实现了示范应用。公司总部位于合肥，在北京、上海、广州、无锡、重庆等全国各地设有分、子公司和业务团队，为各行各业客户提供全面的解决方案和优质高效的科研服务。
图17 国仪量子公司产品图
中国电子科技集团有限公司
中国公司，成立于2002年，是中央直管企业，下设多个二级单位和上市公司，目前旗下单位在量子雷达、量子成像、量子导航等方面开展了大量前沿性基础研究和关键技术攻关。
2020年，中电科与南京大学合作研制了超导阵列单光子探测系统，实现全天时、超衍射极限三维成像，实现了对数百公里外移动小目标的实时跟踪探测，是单光子雷达（一种量子雷达）技术的应用，这意味着未来一部分隐形战机将有望通过该系统被识别。目前中电科已具备单光子探测器探测效率、暗计数、线性度、后脉冲概率、时间抖动、死时间等相关特性参数的测试能力，具备国际领先的技术指标。
成都天奥电子股份有限公司由中电十所控股43.3%，成立于2004年，于2015年上市（天奥电子，002935）。根据公司2021年度报告，产品主要分为北斗卫星用产品（2021年营收2335万元）、频率系列产品（2021年营收6亿元）、时间同步系列产品（2021年营收4亿元）。2021年，公司研制的TA1000型1级节点时钟，通过中华人民共和国工业和信息化部的电信设备进网测试认证，率先成为中国首款获得电信设备进网许可证的PRC（全国基准时钟）节点时钟，准许接入公用电信网使用。这标志着TA1000型1级节点时钟设备可作为全国基准时钟源，为数字同步网提供更高精度的时间频率基准，保障数字同步网的可靠运行。
表12 成都天奥电子股份有限公司原子钟产品
成都中微达信科技有限公司
中国公司，成立于2017年，主要致力于量子精密测控、量子传感器和基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的高效能实时计算平台的研制。在量子计算方面：公司提供应用于硅基量子比特和大规模（>100-bit）超导量子比特的常温测控系统解决方案，并在用户平台上得到了物理验证，形成了高性能、高集成度、可扩展的低噪声电压单元、任意波形产生单元、射频任意波形产生单元、量子分析单元、微波源单元等系列单元产品；公司目前正致力于低温CMOS集成电路技术研发，瞄准实现千量子比特规模的低温（液氦4K）集成量子计算测控阵列芯片，为具备实用意义的量子计算机硬件服务，已完成数轮芯片流片测试。在量子传感器方面：公司开发了全球首款芯片级分子钟，目前此产品已有非典型封装样品，正在逐步产业化；此外，公司还将开发量子温度传感器芯片、量子时频同步等创新产品。
图18 成都中微达信科技有限公司芯片级分子钟原型产品
国耀量子雷达科技有限公司
中国公司，成立于2017年，公司核心技术包括红外量子探测技术、高灵敏混合探测技术、红外窄线宽高稳频激光器、纳米级形变自动反馈调节技术与AI智能识别实时动态示踪算法，主要产品涉及光量子芯片、测控器件、光量子雷达设备领域，包括颗粒物光量子雷达、光量子频率转换器、周期性极化铌酸锂波导光量子芯片等。面向大气环境污染排放监控、大气气象变化监控、城市智慧交通出行、机场气象变化监控保障、国防军事应用、科研教学实验等需求，公司为用户提供网格化监测的软硬件解决方案。
中科酷原科技（武汉）有限公司
中国公司，成立于2020年，致力于原子重力传感器及其相关光学、电子等产品的研发和技术服务，为重力精密测量相关研究和应用提供可靠的产品和解决方案，先后研制了国内首套原子重力仪、原子重力梯度仪等量子传感器。公司由中国科学院精密测量科学与技术创新研究院（由中国科学院武汉物理与数学研究所与中国科学院测量与地球物理研究所融合组建）持股，技术源自精密测量院冷原子物理研究团队，是国内最早开始中性原子量子信息技术研究的团队之一。2010年便研制出高精度的原子绝对重力仪实验室样机，测量精度达到了4μGal；2020年团队将原子重力仪相关技术实施了科技成果的转移转化，成立了产业化公司，同时研制出了第二代集成化原子重力仪WAG-C5-02，测量精度已可达到2μGal的世界先进水平。
一、投融资情况
量子精密领域的公司按成立时长分为两大类：一类是成立较久的公司，发展时间长，经营稳定，量子技术伴随其设立而发展至今，例如Geometrics（成立53年）；另一类是随量子科技发展热潮而新成立的初创公司，成立时间一般在2000年以后，例如Muquans（成立11年）、国仪量子（成立6年）等。
表13 量子精密测量领域涉及的公司获得资金投入情况
注1：公开资料显示，国仪量子已获得投融资总额近10亿元人民币，且B轮与C轮均达到数亿元人民币，本文对B轮、C轮、A+轮、A轮以及股权融资进行估计取值分别为4亿元、2亿元、2亿元、1.5亿元、0.5亿元，并对国仪量子2018年3月的股权融资划为Pre-A轮进行数据统计。注2：Qnami公司Pre-A轮、未磁科技股权融资、中科启迪光电子股权融资均未披露具体融资额，未纳入本次数据统计。注3：未磁科技天使轮和中科酷原A轮公开披露的融资数额均为数千万人民币，分别取值1千万元人民币纳入本次数据统计。
从投融资规模来看，大部分公司选择不披露或模糊投融资金额，从披露数据来看，单笔投融资最高金额为0.32亿美元（ColdQuanta公司A轮），总投融资最高金额约为1.5亿美元（国仪量子）。
从投融资轮次来看，种子轮最多（6笔），其次是A轮（3笔），主要原因是量子精密测量行业内公司目前大多仍处于早期发展阶段；国仪量子的融资已经完成C轮，是进展最快的公司。
图19 2017-2022年全球量子精密测量公司融资轮次分布
注：other表示未公开披露融资轮次（国仪量子除外）的企业融资活动
从公司所在国来看，中国的融资笔数最多（7笔），总融资金额也最高，达1.54亿美元；其次是美国与英国，美国的融资笔数是4笔，总融资金额为0.69亿美元，英国的融资笔数是5笔，总融资金额为0.48亿美元；中国、美国、英国的总融资金额占全球融资金额的89.5%。
图20 2017-2022年不同国家量子精密测量行业融资情况
从量子精密测量细分领域来看，量子科研和工业仪器领域融资金额最多，占总融资金额的52.4%，其次分别是量子时钟、量子重力测量以及量子磁测量，其融资金额占比分别是22.7%、15.2%、8.7%。
图21 2017-2022年全球量子精密测量细分领域的融资分布情况
二、市场预测
整体来说，量子精密测量产品和技术主要的应用方向有国防军事（精确制导、雷达等）、航天探索（计时、定位等）、航空工业（飞行器导航定位）、计量测量、科学研究、生物检测、医学诊断、地球观测、地质勘探、工程建设、农业种植等。
本次市场规模预测主要囊括了量子时间测量、量子磁场测量、量子重力测量和量子科研和工业仪器这些领域。根据ICV预测，2022年全球量子精密测量市场规模约为9.5亿美元，预计到2029年，市场规模增长到13.48亿美元，2022-2029年复合增长率约为5.1%。
图22 全球量子精密测量市场规模预测（2019-2029E）
2022年，量子时钟市场份额约为4.4亿美元，占比最高（46.3%），复合增长率约为4.9%（2022-2029）；其次为量子磁测量，市场份额约为2.5亿美元，复合增长率约为6.2%（2022-2029）；然后为量子科研和工业仪器，市场份额约为2亿美元，复合增长率约为4.4%（2022-2029）；最后为量子重力测量，市场份额约为0.6亿美元，复合增长率约为5.4%（2022-2029）。
图23 全球量子精密测量市场份额预测（按产品技术领域划分）
当前全球主要供应商集中在北美（主要是美国），占比约为47%；其次是欧洲（主要是西欧国家和俄罗斯），占比约为28%；然后是亚太（日本、韩国、中国、澳大利亚、新加坡），占比约为21%。美国和西欧国家是主要的技术输出国，同时也是技术采购方，此外，亚太上述国家也是主要的技术采购方。由于量子精密测量领域的产品和技术大多是经济发达国家研发和采购，其余国家和地区市场占比极少。
图24 全球量子精密测量市场份额预测（按地理划分）
量子精密测量产业的驱动因素主要有：工业互联网、自动驾驶、机器人、生命健康（物质检测、脑部及心脏疾病治疗）、信息通信等。
在国防军事能力提升中，精确制导、作战通信和保密等等都需要量子精密测量提供支持。例如，2022年3月，英国皇家海军首次在军事演习中使用量子技术，在威尔士亲王航空母舰上搭载由Teledyne e2v公司开发的微型原子钟系统——MINAC，只有笔记本电脑大小，在全球定位系统出现故障时，为舰船复杂作战系统提供时间同步。
在自动驾驶技术发展中，在汽车中安装量子传感器有助于准确测量汽车行驶过程中的旋转、加速度、重力。同理，在轮船、火车、飞机上，安装相应的量子传感器，有助于提升自动驾驶功能，提高安全性，将自动驾驶技术尽快推向市场。此外，自动驾驶技术的推广应用依赖于更为精准、小型化、轻量化、消费级的量子精密测量产品，目前大部分量子传感器体积较大，不能满足移动使用需求。
在生命科学领域，随着技术的发展，对微观尺度的探索有了更高追求和要求，这推动了更高级的显微镜技术发展。另外，在疾病治疗领域，脑部疾病和心脏疾病是常见但仍有待提升治疗技术的领域，当前新一代脑磁图和心磁图在实验演示方面已经验证了可行性。若能在小型化、可穿戴、较低成本等方面进一步提高，此类技术有望逐步商业化。
在通信发展中，当前主流的通信为4G和5G，目前6G技术已在发展，随着通信技术的发展，对通信网络中的时钟同步精度要求提高，并且基站数量多，对小型化、价格相对较低的精准计时设备的有更大的需求，这样才可以实际大范围应用。
三、未来趋势及建议
趋势1：量子精密测量领域的技术实施计划将进一步清晰
除美国外的主要量子精密测量科技国（如：德国、中国、英国、日本等）尚未发布独立的量子精密测量报告，然而，美国在2022年4月发布量子传感器战略政策——Bringing Quantum Sensors Fruition（将量子传感器付诸实践），这是首次有国家将量子精密测量这一领域发布独立战略计划报告。目前，中国、英国、德国、法国等已在不同程度、不同技术领域提高对量子精密测量领域的重视度，未来，各国将有可能随着技术进步，发展路线清晰，经过审慎评估后，发布单独的计划，更加详细的指出未来战略发展方向。
趋势2：量子精密测量初创公司有望获更多资金支持，从而推动技术快速进度
量子精密测量领域的投融资虽不及量子计算受更多人关注，但当前看来，量子精密测量商业化的潜力比量子计算更大、一部分产品和技术已有原型，并且一些产品，例如单光子探测器、小型化时钟有极为广泛的应用场景，可以赋能多个行业和产品，因此，当量子精密测量产业受到更多人知晓和关注时，拥有技术的公司有望受到一些早期投资者的青睐，并且，投融资对加快技术落地和市场化有极大地推动作用。此外，国仪量子于2021年12月宣布完成数亿元C轮融资，目前融资总额已近10亿人民币。若按此节奏和规模发展，国仪量子有望在中国大陆上市。若能成功上市，也将成为目前少有的专注于量子精密测量领域的公司。
趋势3：量子精密测量领域的人才问题亟待解决
相关技术人才的匮乏是当前全球发展量子信息科技产业面临的一大难题，量子精密测量领域的人才一样具备交叉性，因此需要尽早展开各类培养计划。美国于2022年2月发布《QIST劳动力发展国家战略计划》，提出量子信息科技（QIST）的劳动力发展是美国的优先事项，提出多项建议措施。未来，除大学之外的进行量子技术和量子工程教育的机会有望大量增加。例如，以研讨会、暑期学校、培训班等方式加大量子精密测量的认知、技术和应用推广。
趋势4：传感器逐步“量子化”，将量子传感器尽快推向市场是多国未来发展目标
一方面，当前手机、汽车、飞机和航天器的经典传感器主要依赖电、磁、压阻或电容效应，虽然很精确，但理论上存在极限，而量子传感器有望向更高灵敏度、准确率和稳定性等方面提升；另一方面，某些应用需要对电磁散射不敏感的传感器。量子传感器不仅可以替代一部分传统传感器市场，还能满足新兴特殊需求。传统技术的传感器正在逐渐过渡到量子传感器，这是必然的发展趋势。目前，部分传感器已经实现“量子化”，例如，在时间测量方面，原子钟已商业化，实现了时间传感器“量子化”；重力测量方面，原子重力仪已经商业化，实现了重力传感器“量子化”。此外，例如“量子化”的磁力计，惯性传感器配置，包括陀螺仪、加速度计和惯性测量单元，这些量子传感器技术验证已展开，部分产品已有原型。未来，在没有任何外部信号的情况下进行精确导航下，惯性传感器在军事和商业应用中都将发挥重要作用。
时至今日，GPS和MRI的投资回报价值已相当明显。当前有很多处在不同研发阶段的量子传感器，多国均在统一协调，缩短产品推向市场的进程，并加快技术转让，同时也不断加强本国在各自领域的领导地位。在尽可能减少对性能影像的情况下，小型化、紧凑化、降低成本是各大中上游供应商重点追求的目标。冷原子技术、金刚石氮空位色心技术、OPM+MEG是近些年最有望商业化的量子传感器的底层技术，这些技术可能适用于不同行业和应用场景，例如，SQUID虽然有更高的灵敏度，但是需要低温环境，这就导致使用成本较高、对应用环境要求较高；OPM技术、NV色心技术虽然精准度可能不及SQUID，但可以在常温环境下使用。
趋势5：美欧仍继续引领一部分技术，技术成熟度评估体系亟待提升
由于量子技术的发展需要深厚祭奠，并非一蹴而就，因此，美欧依然大范围继续引领一部分技术。同时，技术成熟度评价对新技术开发和科技项目管理尤为重要，然而并非很多国家都将这一评价体系较好地应用在量子项目的管理当中。量子精密测量作为一个市场化应用相对较快的领域，推进量子传感器项目的就绪度评价标准（Technology Readiness Level，TRL），对标准化管理、科学管理、技术推进有极大地促进作用。
美国和英国于2021年底签署量子科技领域的合作协议。欧盟国家在量子旗舰计划下，各国沟通较多。为应对强强联合下的国际科技竞赛，中国若想在此番对抗中不掉队，甚至进入第一梯队，需要制定和采取一些行之有效手段。
美国仍是全球量子精密测量市场最大的贡献者，欧洲次之。中国是量子精密测量产品和技术的一大购买方，高校、科研机构、高科技企业均是主要买家。但随着近年来的进出口贸易管制，未来可能有更多的仪器设备和技术将无法引入中国，中国还需持续在此领域沉淀、发力。一般来说，实现原子传感器需要掌握激光和光学、真空、电子和控制硬件的复杂系统。因此，在这些方面祭奠深厚的国家、公司最有望得到快速发展。
趋势6：磁力计领域，OPM、SERF、NV色心技术是下一代主要发展和应用，具有替代SQUID市场的潜力
目前，脑磁图的市场化应用以SQUID技术提供探测为主。目前全球主流的脑磁图设备均为SQUID技术。以中国脑磁仪中标信息来看，从收集到的2019年至2021年的7次记录，6次是SQUID技术（5次为芬兰MEGIN公司供应，1次为澳大利亚Compumedics公司供应），1次是OPM技术（中国北京昆迈医疗科技有限公司供应）。从招标、中标、引进、培训、对外开放使用这一流程看，广大患者可以收益于脑磁图技术需要3-4年左右的时间，预计新一代技术OPM和SERF从实验室走向大众应用的时间预估可能还有5年。由于OPM无需液氦环境、维护运营成本低、可穿戴、儿童成人佩戴可调节度高等优势，有望在未来替代一部分SQUID市场份额，或打开新的小型化可穿戴领域市场。SERF和NV色心在近几年技术快速演进，在OPM后，有望逐步进入市场。
趋势7：量子传感器可用于新型冠状病毒的快速检测，未来可期
美国MIT和加拿大滑铁卢大学组成的研究团队利用金刚石NV色心技术，设计出一种传感器，可以快速诊断COVID-19。这种方法是除当前最常见的PCR之外，另一种准确性高、速度快的方法，其准确度比抗原检测高。此前，基于量子技术的新型科研仪器设备已在生物医药领域发挥着重要作用，例如，原子力显微镜、电子顺磁共振谱仪。尽管这个新型量子传感器尚未大规模应用，但意味着，量子精密测量对时下热点的公共医疗卫生领域可以有所作为。
—End—
