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科普丨快步走向實用的量子傳感技術

2024-10-15 13:46:20 來源：新華網

今年8月，美國波音公司完成全球首個“多量子傳感器”飛行測試，使飛機能夠在不使用GPS衛星導航的情況下完成飛行。這使基于量子傳感技術的量子導航進入大眾視野。

業界人士指出，量子傳感技術正以其在提升精確度和可靠性方面的優勢，迅速成為全球科技創新的前沿領域，在精密導航、工業測量等多個領域帶來革命性變化，成為各國投入研究和開發應用的重點。

那么，什么是量子傳感技術，它的原理是什么?其發展和應用前景又如何?

無需衛星也能導航

量子技術的應用除了人們熟悉的量子計算、量子通信以外，還有量子傳感——利用量子系統、量子特性或量子現象來測量物理量。用于定位、導航和定時的磁場或重力場測量就是量子傳感技術的應用例子。

對于利用量子傳感進行測量和導航的原理，中國科學技術大學物理學院教授孫方穩說：“電場、磁場力等外界環境都會改變量子態，我們對改變后的量子態進行測量就可以反推出長度、質量和時間等物理量。量子導航就是用一些特有的地圖配合特定的傳感器來實現導航應用。各地的磁場、重力加速度都不一樣，理論上我們可以繪制磁場地圖、重力加速度地圖，用不同的量子傳感器來測量，就可以實現量子導航。”

在波音“多量子傳感器”飛行測試中，量子磁力儀由“沙箱”人工智能和量子技術公司(簡稱“沙箱”公司)開發。該公司宣布將進一步開發其AQNav磁導航系統。“沙箱”公司董事長、谷歌公司前首席執行官埃里克·施密特介紹說，該系統依賴敏感的量子磁力儀，從地磁場中收集數據。地磁場表現出地理上獨特的模式，類似于人類的指紋。該系統再使用人工智能算法將地殼模式與已知的磁場地圖進行比較，從而準確快速地確定平臺位置。

大國科技戰略重點

新一輪國際競爭中，量子傳感技術的重要性不言而喻，美、英、法、德及日本都已將其列入國家戰略。量子傳感技術與國防和安全利益高度相關，這一領域的研發可以看到歐美國防、航天等機構深度介入。與此同時，多家私營企業正在進行量子傳感技術的商業化并取得成果。

今年5月，英國科學、創新和技術部宣布，由量子技術企業Infleqtion、QinetiQ研究實驗室和防務巨頭貝宜系統公司組成的研發團隊，已在飛機上成功演示了基于量子的慣性導航系統。這是全球首次公開展示此類技術的飛行演示，標志著量子導航技術向實際應用邁出了重要一步。

這一測試是英國國家量子戰略“任務4”的一部分，該戰略的目標是到2030年在飛機上部署量子導航系統。2023年，英國海軍已成功進行了一次量子導航系統測試，該系統使一艘船能夠在沒有GPS的情況下知道其在世界任何地方的精確位置。

業界人士表示，在量子技術的各種應用中，量子傳感器目前最接近實用，也是大國競相研究的目標，這給中國在量子傳感技術產業化研發帶來啟迪與思考。

中國展現發展潛力

在全球技術競賽中，中國展現出強勁的創新能力和發展潛力。近年來，中國在量子傳感的精度和應用廣度上取得了顯著進展：已實現高精度原子鐘的自主研發，成為世界上少數可以自行研發并制造原子鐘的國家;自主研發的原子重力儀主要性能參數國際領先;還完成了量子雷達的原型機研發。

國務院此前發布《計量發展規劃(2021—2035年)》提出，“重點開展量子精密測量和傳感器件制備集成技術、量子傳感測量技術研究”，并多次提到量子傳感技術的研究重要性。目前，中國量子傳感器研發主要集中于大型國家機構、高校等。

在談到如何通過產學研一體化加速量子傳感落地應用時，孫方穩說：“量子傳感從實驗室階段到應用環節再到產業化是有一段路要走的，各個環節都要發揮各自優勢，同時相互配合協同發力。頭部科研院所應更加聚焦基礎研究，這個環節上必須自力更生，沒有捷徑可走;行業學會、工科院校可以密切關注基礎研究成果如何與行業、教學實際相結合，主動向頭部單位提出合作需求，從而真正提高從實驗室到應用落地的速度;最后是產業端要加大力度將可實現落地的應用加速產品化，加快推向市場。”

安徽省國盛量子科技有限公司董事長趙博文認為，量子傳感技術有廣泛發展空間。在落地方面，首先應該是進一步推動量子傳感產品向小型化、集成化發展，讓量子傳感技術能應用到更多的場景中;其次可以按照行業的具體需求，專注于生產專業性的量子傳感產品;最后隨著國內工業水平精度的不斷提高，要做好產品迭代，適應并服務于新質生產力發展。

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