1、量子测量技术与产业发展白皮书（2022）1 一、量子测量领域概况(一一)量子测量更准确、更精细、更可靠量子测量更准确、更精细、更可靠 测量传感技术是现代信息技术的重要组成部分，与通信技术、计算技术构成信息技术产业的三大支柱。如果将计算机比作大脑，将通信网络比作神经，那么传感器就相当于五官，获取各方面的原始信息。随着科技的发展和应用领域的扩展，对测量传感技术的要求也日益严苛，极弱信号的探测、纳米级/分子级的空间分辨率、超宽的动态范围、芯片级的模块尺寸等等，经典的测量传感技术在某些特定场景中难以满足。量子测量，也称量子传感，是指利用量子特性获得超高精度的传感测量技术，即基于对中性原子、离子、光子等

2、微观粒子系统的调控和观测，提升传感测量的性能。量子体系的状态极易与外界环境相互耦合从而发生改变，量子计算中为了保护量子比特的状态，延长相干操作的时间需要一系列严苛的外围保障措施，比如接近绝对零度的环境温度等。如果将量子体系的“敏感性”加以利用，可以利用量子体系状态的改变，例如能级跃迁、原子级别相干性等，以更高灵敏度和精度，实现对外界多种物理量的探测，即测的更准确。同时，由于量子测量的“探针”可以是原子团，甚至单个原子、离子或光子，探测与测量的空间分辨率可以达到细胞，甚至分子的尺度，即测的更精细。此外，量子测量是利用微观粒子的固有性质，如原子的能级结构和相量子测量技术与产业发展白皮书（2022）

3、2 干性等，测量物理量，不需要依靠外部的计量校准和溯源，具有良好的复现性和统一性，即测的更可靠。图 1 量子测量技术体系框架 量子测量技术体系架构如图 1 所示。底层为实现量子测量的量子体系，或称为物理媒质，以及外围的保障系统。物理媒质包括原子、离子、电子、光子等微观粒子体系。根据不同物理媒质的不同性质可以实现不同物理量的测量。包含物理媒质的集成器件是量子测量装置的核心，比如原子气室、NV 色心探针等。其他核心器件还包括用于量子态产生、调制、探测的器件，包括激光器、微波发生器、光电探测器等。由核心器件和必要的光学、电学器件组件共同组成系统模块，外围保障系统 制冷系统、隔振系统、真空系统、磁屏蔽

4、系统 底层物理媒质 中性原子、离子、光子、原子核、电子、超导 核心组件 激光器、微波源、原子气室、单光子探测器 系统模块 量子态制备、量子态操控、量子态测量、量子态读取量子传感器 量子时钟、量子磁力计、量子陀螺仪、量子加速度计、量子重力仪、量子重力梯度仪、量子雷达 软件/算法 测控软件、数据处理软件(/算法）、应用软件行业应用 基础科研、军事国防、能源地质、环境气象、生物医疗、工业检测 硬件软件应用量子测量技术与产业发展白皮书（2022）3 进一步组成量子测量装置（或称为量子传感器）。为了实现精准的控制以及数据的处理分析，完整的量子测量装置或系统还包括必要的软件功能模块。近年来在实验验证和样机

5、开发上取得了诸多成果。硬件系统样机开发方面，国内外高校和研究机构研制的原理实验平台日趋成熟，实验上能够获得超越传统测量技术的测量精度，性能指标不断提升。部分技术方向正逐步探索工程化和落地应用。软件算法开发方面，目前研究的热点在于数据处理算法，将 AI 等技术对测量数据挖掘分析，更有效地获得精确测量结果；通过对参数化的量子测量体系迭代优化，亦可获得更高的测量精度；应用软件方面目前研究较少，未来商用落地和产业化需要开发简单的交互操控系统和直观的结果展示界面。总体而言，量子测量进入从基础科研向商业落地转化关键期。(二二)各国政府布局各国政府布局加快推动量子测量加快推动量子测量发展发展 量子测量的对象

6、涵盖电磁场、加速度、角速度、重力应力、时间频率等诸多物理量，未来将在基础理论研究、航空航天、生物医药、惯性制导、能源勘探等诸多领域应用，特别是很多技术涉及军事国防领域，因此受到全球各国政府的关注，近年来竞相布局，加大科研投入的力度。美国早在 2016 年就提出了十大“Big Ideas”作为长期研究计划，其中包括“量子飞跃：引领下一次量子革命”计划，着眼于实现更高效量子测量技术与产业发展白皮书（2022）4 的计算、通信、传感和模拟；国防部高级研究计划局（DARPA）设立小企业创新研究（Small Business Innovation Research，SBIR）和小企业技术转让（Small