2022年全球量子精密测量行业发展报告.docx

2022年全球量子精密测量行业发展报告1.量子精密测量概述及最新进展一、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。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。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。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。2.量子精密测量典型产品及应用一、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。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