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科普丨快步走向实用的量子传感技术

2024-10-15 13:46:20 来源：新华网

今年8月，美国波音公司完成全球首个“多量子传感器”飞行测试，使飞机能够在不使用GPS卫星导航的情况下完成飞行。这使基于量子传感技术的量子导航进入大众视野。

业界人士指出，量子传感技术正以其在提升精确度和可靠性方面的优势，迅速成为全球科技创新的前沿领域，在精密导航、工业测量等多个领域带来革命性变化，成为各国投入研究和开发应用的重点。

那么，什么是量子传感技术，它的原理是什么?其发展和应用前景又如何?

无需卫星也能导航

量子技术的应用除了人们熟悉的量子计算、量子通信以外，还有量子传感——利用量子系统、量子特性或量子现象来测量物理量。用于定位、导航和定时的磁场或重力场测量就是量子传感技术的应用例子。

对于利用量子传感进行测量和导航的原理，中国科学技术大学物理学院教授孙方稳说：“电场、磁场力等外界环境都会改变量子态，我们对改变后的量子态进行测量就可以反推出长度、质量和时间等物理量。量子导航就是用一些特有的地图配合特定的传感器来实现导航应用。各地的磁场、重力加速度都不一样，理论上我们可以绘制磁场地图、重力加速度地图，用不同的量子传感器来测量，就可以实现量子导航。”

在波音“多量子传感器”飞行测试中，量子磁力仪由“沙箱”人工智能和量子技术公司(简称“沙箱”公司)开发。该公司宣布将进一步开发其AQNav磁导航系统。“沙箱”公司董事长、谷歌公司前首席执行官埃里克·施密特介绍说，该系统依赖敏感的量子磁力仪，从地磁场中收集数据。地磁场表现出地理上独特的模式，类似于人类的指纹。该系统再使用人工智能算法将地壳模式与已知的磁场地图进行比较，从而准确快速地确定平台位置。

大国科技战略重点

新一轮国际竞争中，量子传感技术的重要性不言而喻，美、英、法、德及日本都已将其列入国家战略。量子传感技术与国防和安全利益高度相关，这一领域的研发可以看到欧美国防、航天等机构深度介入。与此同时，多家私营企业正在进行量子传感技术的商业化并取得成果。

今年5月，英国科学、创新和技术部宣布，由量子技术企业Infleqtion、QinetiQ研究实验室和防务巨头贝宜系统公司组成的研发团队，已在飞机上成功演示了基于量子的惯性导航系统。这是全球首次公开展示此类技术的飞行演示，标志着量子导航技术向实际应用迈出了重要一步。

这一测试是英国国家量子战略“任务4”的一部分，该战略的目标是到2030年在飞机上部署量子导航系统。2023年，英国海军已成功进行了一次量子导航系统测试，该系统使一艘船能够在没有GPS的情况下知道其在世界任何地方的精确位置。

业界人士表示，在量子技术的各种应用中，量子传感器目前最接近实用，也是大国竞相研究的目标，这给中国在量子传感技术产业化研发带来启迪与思考。

中国展现发展潜力

在全球技术竞赛中，中国展现出强劲的创新能力和发展潜力。近年来，中国在量子传感的精度和应用广度上取得了显著进展：已实现高精度原子钟的自主研发，成为世界上少数可以自行研发并制造原子钟的国家;自主研发的原子重力仪主要性能参数国际领先;还完成了量子雷达的原型机研发。

国务院此前发布《计量发展规划(2021—2035年)》提出，“重点开展量子精密测量和传感器件制备集成技术、量子传感测量技术研究”，并多次提到量子传感技术的研究重要性。目前，中国量子传感器研发主要集中于大型国家机构、高校等。

在谈到如何通过产学研一体化加速量子传感落地应用时，孙方稳说：“量子传感从实验室阶段到应用环节再到产业化是有一段路要走的，各个环节都要发挥各自优势，同时相互配合协同发力。头部科研院所应更加聚焦基础研究，这个环节上必须自力更生，没有捷径可走;行业学会、工科院校可以密切关注基础研究成果如何与行业、教学实际相结合，主动向头部单位提出合作需求，从而真正提高从实验室到应用落地的速度;最后是产业端要加大力度将可实现落地的应用加速产品化，加快推向市场。”

安徽省国盛量子科技有限公司董事长赵博文认为，量子传感技术有广泛发展空间。在落地方面，首先应该是进一步推动量子传感产品向小型化、集成化发展，让量子传感技术能应用到更多的场景中;其次可以按照行业的具体需求，专注于生产专业性的量子传感产品;最后随着国内工业水平精度的不断提高，要做好产品迭代，适应并服务于新质生产力发展。

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