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1 引言

精密測量技術作為信息獲取的主要途徑，在信息產業中起著至關重要的作用。隨著遠程醫療、工業互聯網、物聯網（The Internet of Things，IoT）、車聯網（Internet of Vehicles，IoV）等技術的興起，超精密、小型化、低成本的傳感器、生物探測器、定位導航系統等關鍵傳感測量器件的產品市場需求量將迅猛增長。經典測量技術的精度往往受限于衍射極限、散粒噪聲等因素，測量精度難以進一步提升。而量子測量技術基于量子體系的糾纏、壓縮、高階關聯等特性，使得測量精度顯著提升，甚至可以突破經典測量的散粒噪聲極限。量子測量技術范圍十分廣泛，不同領域間發展不均衡，其中某些較為成熟的領域正逐步向小型化、集成化、芯片化方向發展，成為產學研多領域的研究熱點。

2 量子測量技術研究進展

2.1 量子測量技術的原理及特征

量子測量技術利用特定的量子體系（如原子、離子、光子等）與待測物理量（如磁場、重力場等）相互作用，使之量子態發生變化，通過對體系最終量子態的讀取及數據后處理過程實現對物理量的超高精度探測。基本可以分為量子態初始化、與待測物理量相互作用、最終量子態的讀取、結果處理等關鍵步驟，具體參見圖1。量子態的初始化是通過控制信號將量子體系調控到特定的初始化狀態；與待測物理量相互作用后會導致量子體系的量子態發生變化，直接或間接的測量最終的量子態，再將測量結果處理轉換成傳統信號輸出，獲取測量值。量子測量技術應具備以下基本要素：一是“測量工具”是量子系統，如單光子、糾纏光子對、原子、離子等；二是“測量工具”與測量對象之間相互作用，使其量子態發生變化，并且這種變化是可以通過直接或間接手段讀取的。按照對量子特性的應用，量子測量可分為基于量子能級躍遷、基于量子相干性、基于量子糾纏的3種量子測量技術。

2.2 量子測量技術應用領域及優勢

量子測量技術可以用于探測磁場、電場、加速度、角速度、重力、重力梯度、溫度、時間、距離等物理量，應用領域包括基礎科學研究、軍事國防、航空航天、能源勘探、交通運輸、災害預警等[1]。目前，量子測量的研究主要集中在量子目標識別、量子重力測量、量子磁場測量、量子定位導航、量子時頻同步五大領域，每個領域又細分諸多技術方案，具體參見圖2。

超高精度是量子測量技術的核心優勢。例如，傳統的機電陀螺的測量精度一般只能達到1E-6°/h量級，而量子陀螺儀的理論精度高達1E-12°/h[2]；傳統重力儀受落體時間間隔限制，重復率低，噪聲較大，精度可達1E-9g，原子重力儀基于冷原子干涉技術，理論上可使現有絕對重力測量靈敏度提高1000倍[3] ；傳統雷達成像的精度受衍射極限的限制，而量子雷達利用電磁場的高階關聯特性進行成像，分辨率可突破衍射極限，進一步提升成像和探測精度[4]。

2.3 量子測量技術研究發展趨勢

基于量子能級的測量技術利用量子體系在待測物理量的作用下能級結構發生變化（如能級間距變化、能級劈裂或簡并、馳豫時間變化等），量子體系的輻射或吸收譜可以反映出待測物理量的大小，這類量子測量技術相對成熟，已實現產業化。但部分技術方案對外界環境（如溫度、磁場等）要求較高，依賴于對量子態的操控技術。

基于量子相干性的測量技術主要利用量子體系的波動特性，使兩束原子束在檢測點發生干涉，由于待測物理量對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物理量的大小。其技術成熟度和測量精度均比較高，廣泛應用于定位制導、重力探測等領域。但通常體積較大，難以集成化。目前，已開展小型化、可移動化方向的研究。

以上兩類量子測量技術的小型化、實用化、芯片化已成為研究熱點，表1展示了近些年國際和國內在小型化、芯片化方面的研究成果。小型化、芯片級、低功耗的高精度量子測量裝置為量子測量技術進一步實現商用奠定了基礎。

基于量子糾纏的測量技術精度理論上可以突破經典極限，達到海森堡極限，實現超高精度的傳感與測量。目前，這種測量技術主要應用于量子雷達、量子同步傳輸協議以及量子衛星導航領域。但成熟度較低，糾纏量子態的制備、操控等關鍵技術尚未突破，現階段仍處在試驗探索階段，產業化和實用化前景尚不明朗。

3 量子測量產業發展分析

鑒于量子測量技術應用十分廣泛，涉及民生、軍事國防、基礎科學研究等諸多領域，多國相繼出臺各自發展戰略和研究計劃。中國《“十三五”國家基礎研究專項規劃》、美國《量子信息科學國家戰略概述》、英國《英國量子技術路線圖》、歐盟《量子宣言》以及日本“量子飛躍”項目中都明確將量子測量技術作為重要的研究方向。歐美國家量子測量領域研究實現科研院所、商業企業、軍隊軍工、政府機關多方合作，聯合助力，共同推進技術和相關產業發展，推動研究成果落地和實用化產品化。目前，涉及量子測量技術的國際公司包括AOSense、μQuans、Twinleaf、Oscilloquartz、Northrop Grumman等，量子加速度計、時鐘源、雷達成像、磁力儀、陀螺儀、重力儀均已實現產品化，廣泛應用于航空航天、軍事軍工、電信網絡、能源勘探、醫學檢測等諸多領域。

國內量子測量技術研究的優勢在于科研機構數量眾多，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。科研成果數量與歐美國家持平，但是部分性能指標參數仍有數量級差距。目前，國內量子測量技術研究的主要參與者仍是科研院所和高校，商業企業介入較少，科研院所、高校和行業公司缺乏交流與合作的平臺，實驗室研究和實際應用需求之間存在隔閡，很難推動科研成果落地，產業生態鏈尚未形成。目前，國內涉及量子測量的商業公司主要集中在量子時鐘源領域，少數初創公司致力于量子雷達、量子態操控與讀取等領域。

從產業發展來看，全球量子測量產業市場收入逐年增長。BCC Research報告指出[12] ，全球量子測量市場收入額在最近兩年內年均復合增長率（CAGR）約為10%左右，并預計在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、磁力計領域發展較早，技術相對成熟，占據量子測量絕大部分份額。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，預計未來5年仍將處于主導地位。而亞太地區，特別是中國，未來量子測量產品的需求量或將占據主導地位。隨著近年來國內遠程醫療、工業互聯網、IoT、IoV、自主機器人、微型衛星等技術與應用的逐步成熟，超精密、小型化、低成本的傳感裝置、生物探測器、定位導航系統等器件的需求量會顯著增長，廣闊的市場潛力不容小視。

4 量子測量技術在通信網中的應用

未來，5G、工業互聯網、量子通信等技術發展對時鐘同步提出了更高的需求：在3GPP R4-1802142 CR38104-f00中，對不同類型的協同增強同步提出要求，如多入多出和發射分集技術的時間偏差要求為65ns，對于帶內連續載波聚合低頻基站（Sub 6G）時間偏差要求為260ns[13] ；在ITU-T立項G.8272.1，制定增強型時間服務器（PRTC+）標準，要求同步精度優于±30ns；工業互聯網中傳感器數據、音視頻文件、控制指令等對時間十分敏感，時間同步誤差絕對值要求不高于1μs[14] 。而通信網絡中的時鐘同步精度主要取決于時鐘源精度和同步傳輸協議的精度。因此，提高通信網絡的時鐘同步精度可以從源頭和傳輸協議兩個方面進行。

作為時鐘源頭設備的高精度時間服務器（PRTC/ePRTC），可采用衛星授時或者超高精度地面授時。衛星授時存在一定誤差、部署成本較高、無法覆蓋室內場景，更重要的是存在可靠性和安全性隱患。地面授時通過光纖授時溯源至國家授時單位，取決于地面時鐘源的精度，目前中國計量科學研究院參與駕馭國際原子時的NIM5銫原子噴泉微波鐘的不確定度約為9E-16量級[15]。

量子時間基準研究領域目前研究的熱點為原子或離子光鐘。由于時鐘的穩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，光學頻率比微波頻率大約高5個數量級，且能達到更高的相對頻率穩定性。由于光學頻率基準主要基于單個囚禁離子或中性費米子原子的頻率基準，原子間相互作用引起的頻移很低，其他相對頻移如黑體輻射也很低，可以達到更好的精度。目前，由美國標準技術研究院研制的鐿原子光鐘是全世界最好的光鐘，其不確定度可達到1.4E-18量級[16]。國內光鐘的報道中性能最優的是中科院武漢物理與數學研究所的鈣離子光鐘，不確定度約為5E-17量級[17]。由于還沒有電子系統能夠直接準確地記錄每秒5E14次的光學振動，因此光鐘在實際系統中的應用一度存在難點。光學頻率梳為超高精度同步實現提供了新的技術手段，可將光頻率的穩定性和精度“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，提高了時鐘輸出精度。

為了將時鐘源頭的同步信息傳遞到末端的終端設備，還需要高精度的同步傳輸協議。目前，通信網絡中最成熟的同步傳輸協議是1588v2，單節點時間同步精度為±30ns。基于量子效應的量子時間同步協議理論上可以突破經典極限，實現更高精度的同步信息傳遞。

理論研究發現，在相同條件下，量子時間同步精度極限比經典時間同步極限提高MN倍（N為一個脈沖中包含的平均光子數，M為脈沖數）[18]。量子時間同步協議精度理論上可達到ps量級。因此，國內外多家研究機構開展了基于量子效應的時間同步協議，表2列舉了目前提出的幾種量子時間同步協議的方案。量子時間同步協議的研究仍處在實驗室驗證階段，很多核心技術和關鍵問題有待突破，比如大量處于糾纏態的光子對的制備等。