2023全球量子精密测量产业发展前景

2023 全球量子精密测量产业发展前景 2023年2月 前言 传感器技术处于现代技术的最前沿。许多国家认为传感器技术以及通信和计算机技术同等重要，并将它们称为信息技术的三大支柱。特别是量子传感器，代表了传感领域的颠覆性和革命性技术。它们被誉为工业生产的“倍增器”和科学研究的“探路者”。 今年早些时候，我组织联合光子盒子发布了《2022年全球量子计量与传感产业发展报告》，由于量子精密测量的广泛应用，该报告受到广泛关注。该报告基于量子计算和量子通信的研究框架编制，是目前业界首份关于量子精密测量的综合性行业研究报告。它在量子传感器行业引起了相当大的关注，因此，我们决定继续对量子精密测量行业报告进行年度更新，以进一步为该领域做出贡献。 今年，我们的研究团队继续对量子精密测量行业进行深入研究，并取得了优异的成绩。我们将改变对已经实现的量子传感器的关注。我们的主要产业链分析将集中在时间测量、重力测量和磁场测量等更成熟的领域。这些领域主要包括原子钟 、冷原子干涉重力计和光磁力计。其他尚未成熟或目前较少受到关注的量子传感器将被归类为“其他”，例如量子光学器件，量子雷达和原子天线。 智能网联汽车前沿技术咨询总监、高级副总裁 裘德绿色 免责声明 本报告中表达的观点力求独立和客观，不构成任何广告。本报告中的数据主要是公共信息，以及公共数据的整理。 本报告版权归ICVTAnK所有。任何其他形式的使用或传播，包括但不限于出版物、网站、公众号或个人使用本报告的内容，均需注明出处（《2023年全球量子精密测量产业发展展望》。智能网联汽车，2023.02）. 在使用本报告内容时，不得进行任何引用、删除和篡改本报告原意的行为。未经书面许可，任何机构和个人不得以任何形式复制、复制或出版。引用、转载、出版经同意的，必须在许可范围内。违反规定使用本报告的，应当承担相应的法律责任。 本报告中引用数据、事件和观点的目的是收集和总结信息，并不代表我们同意他们的所有观点，也不对其真实性负责。 本报告涉及动态数据，表示截至发布时的情况，不代表未来情况。本报告中表达的信息或意见不构成投资建议，请谨慎参考。 如有其他问题，请联系infer@icvtank.com。 致谢 本报告由智能网联汽车和广子和联合出品。 我们感谢为我们提供支持的机构，包括但不限于： 全球量子精密测量工作组 2023年2月 2023年全球量子精密测量产业发展展望 表的内容 行业研究的定义5页 行业发展现状和11未来趋势 产业链分析P38 投资和融资分析P60 市场规模分析71页 第1章行业研究的定义 1.1量子精密的起源 测量 “我们能否发现量子力学的有前途的真实世界应用，利用最反直觉的特征？自从世纪初量子理论的发展以来 ，物理学家们就被这个问题所吸引。 量子计算和量子通信被广泛认为是量子技术最有前途的应用。然而，技术发展进展缓慢的部分原因是量子系统的核心弱点——它们对外部干扰的强烈敏感性。量子计量利用这一核心弱点，从外部环境实现对某些物理量的测量，成为近年来量子信息技术中新兴的应用。 近年来，量子计量已成为量子信息科学与技术领域一个独特且快速发展的研究分支。它利用量子力学系统来测量各种物理量，从磁场和电场到时间和频率，从旋转到温度和压力。 图1-1量子技术革命和产业革命正在兴起 第一次量子革命在微观水平上推翻了经典力学测量。经典力学认为可以测量物体状态，并且在考虑物体属性时可以忽略测量行为 20世纪初第一个量子革命 。经典测量系统认为，所有物质都有一个确定的值，甚至可能在测量之前预先确定，不受测量工具和测量器的影响，无论系统是物质的还是非物质的（速度、位置、体积、方向等）。然而，由于20世纪初量子力学和相对论的出现，这种对测量的理解发生了巨大变化。革命性的量子力学新理论颠覆了物理学中被认为是确定的和不变的一切。 以量子信息技术为代表的量子控制，通过主动控制和操纵，操纵量子系统（如电子、光子）的微量子行为，产生“第二次革命”。量子精密测量技术作为量子信息技术的主要发展方向，利用量子力学定律引领测量的转变。测量、观察和注意会对测量的量子系统产生影响，例如改变测量的量子系统的状态。测量后，处于相同状态的量子系统可能会产生完全不同的结果。在追求更高精度测量的过程中 1970年代 第二个量子革命 ，近年来，随着量子技术的进步和第二次量子革命的到来，量子精密测量有望引领新一代传感器的转型，以前所未有的精度测量物质 。 尽管量子精密测量是量子科学与工程领域一个相对较新且独特的研究领域，但其许多定义和 概念都包括物理学界长期存在的理论技术。这些可以是 根据其历史发展分为两类。 老 新 随着单原子水平量子系统研究的成熟，新技术也应运而生。例如，量子纠缠用于提高灵敏度，专为传感目的而设计。例如，有基于NV中心技术的磁力计和基于离子阱技术的原子钟。 尽管量子精密测量是量子科学与工程领域一个相对较新且独特的研究领域，但其许多定义和概念都包括物理学界长期存在的理论技术。这些根据其历史发展可以分为两类。 随着量子力学基础研究的突破和实验技术的发展，人们不断提高操纵和测量量子态的能力，允许使用量子态进行信息处理、通信和传感，以及一些关键物理量的高精度和高灵敏度测量。例如，可以在时间、频率、加速度和电磁场等物理量上实现前所未有的测量精度。整个现代自然科学和物质文明是随着测量精度的不断提高而发展起来的，量子精密测量可以理解为基础研究进步条件下经典精密测量的升级迭代。以时间测量为例，从古代的日晷和水钟，到现代的机械钟，再到石英和原子钟，随着时间测量精度的不断提高，通信、导航等技术已经能够发展起来。 1.2引入量子精密 测量 量子精密测量旨在利用量子资源和效应来实现超越经典方法的测量精度。是集原子物理、物理光学、电子技术、控制技术等学科于一体的综合性技术。基本原理：外部电磁场、温度、压力等物理量因素会改变电子、光子、声子等微观粒子的量子态。测量这些变化后的量子态 ，实现外部物理量的测量。 量子精密测量 等 。 展示1-2原理和定义 电子技术原子物理物理 光学 控制技术 磁场和电场、旋转、时间、力、温度和光子计数等 目的 灵敏度（积分时间1秒后给出单位信噪比的信号） 。 动态范围（最小和最大可检测信号）。采样率(信号采样频率)。 工作温度等。 指示器 原子，分子，离子，光子（单光子，纠缠光子对） ，电子，声子。 工具 量 经典的测 目前，由于技术专长领域不同，语言不同，各种国家政策、报 告和其他文件的名称也不同。本文将用量子精密测量来提及这一技术和应用领域。具体是指以下分析框架中产品分类中的量子时间测量、量子磁场测量、量子引力测量、量子惯性测量和量子目标识别五大应用领域。它根据测量的不同物理量进行划分。主要应用场景涵盖航空航天、国防装备、地质资源调查、基础科学研究、生物医药等多个领域，应用和行业发展前景广阔。 量子精密测量 理论原则 测量过程 中性原子 里德伯原子 固态自旋 离子阱 Superconduct电路 等 微波原子钟 量子重力仪 量子加速度 计 光学原子钟 量子磁强计 分子钟 量子重力梯度仪 量子纠缠 相干叠加 能级跃迁 量子陀螺仪 场强计 量子干涉雷达 量子增强雷达 量子照明雷达 理论原则 量子特性 展示1-3报告分析框架 技术方向 产品分类 时间测 磁场 meaent surem 惯性测量 目标识别 量 重力 应用程序方向 来源:王主任,麻省理工学院的网站 第二章行业 发展现状和未来趋势 2.1主要发展 通过梳理行业进步和技术进步（详见附录1和2），列出了对量子精密测量未来发展具有重要意义的进展。2022年，量子精密测量技术之路将遍地开花结果。随着量子精密测量工程原型的不断迭代，越来越多的原型走出实验室，走向产品化。 2.1.1美国发布第一份量子精密测量行业独立战略计划报告 美国正式发布第一份量子精密测量行业报告。各国政界对量子精密测量产业的关注度不断提高 ，这与之前分析的量子精密测量产业被量子信息技术产业包装不同。 除美国外，主要的量子精密测量技术国家（如德国、中国、英国、日本等）尚未发布独立的量子精密测量报告。不过，美国在2022年4月发布了量子传感器战略政策——《量子传感器结出硕果》，这是首次有国家在量子精密测量领域发布独立的战略计划报告。目前，中国、英国、德国、法国等国家在不同程度、不同技术领域加大了对量子精密测量领域的重视。未来，随着技术进步，各国有可能有一条清晰的发展道路。经过仔细评估，将发布单独的计划，以更详细地指出未来的战略发展方向。主要发展方向如下： 2.1.2量子时间测量的突破与进展 叶军团队研制出了世界上最精确的原子钟，可以验证广义相对论。中国梦想实验室送入太空的首个高性能光学时钟 该团队开发了世界上最精确的原子钟。在1mm的高度差处，时间差约为十亿分之一，即3000亿年是一秒，这符合广义相对论的预测。这一次，第一个高性能光学原子钟随梦天实验室进入太空，受到广泛关注 。光学时钟可以更准确地测量时间，中国也有望建成世界上最高精度的轨道时频系统。 2.1.3量子重力仪和量子梯度计的产业化取得了显著进展，量子重力测量市场将迎来三大增长因素。 量子引力测量仪器取得了重大突破。量子引力测量仪器正在完成从实验室到商业化的转变。量子精密仪器的商业化正在改变传统测量行业的竞争格局。 根据各国的技术成熟度、研发进展和商业化进展，量子引力测量市场将迎来三大增长因素： 目前，量子重力仪的技术优势已经显现，商业化的逐步成熟将带来市场份额的快速增长。例如，中国的重力测量仪器技术已经打破垄断，将继续取代目前的传统仪器设备，并将随着重力网络的建设而扩大市场。 全球量子引力梯度计已经开始从实验室向商用和军用转型，有望在三年内完成转型，其中有丰富的 应用场景。量子应用技术基础研究的进展将推动量子精密仪器相应的产品数据，随之而来的应用场景和市场份额的增加将带动市场规模的指数级增长。 重量测量领域的测量仪器主要分为重力仪和重力梯度计。根据功能的不同，它们分为相对测量仪和绝对测量仪器。在量子重力测量仪器方面，由于基于冷原子干涉仪的量子重力测量仪属于绝对测量仪器，因此仪器主要分为量子绝对重力仪和量子绝对梯度仪。 随着冷原子测量绝对重力技术的快速发展和量子重力梯度传感器的突破，基于高精度量子地球重力和磁场传感器的量子地球物理探测技术已成为精细探测的颠覆性技术之一。 图表2-2：量子重力仪和量子重力梯度计的发展 |2023年2月版 量子重力梯度仪 ICV预测，量子重力仪市场的快速增长点可能是2023年。快速增长点 量子重力梯度仪可能是2026年。 深部战略矿产资源、火山活动监测和地球构造，已成为国际物探设备的重点发展方向。 美国、德国、中国、日本、英国等国家对量子精密测量技术的研发起步较早，其研究水平始终处于前沿技术的制高点，特别是在重力场和地球物理勘探方面。经过长期的技术积累和设备迭代，技术水平比较领先，装备成熟。 中国的重力测量市场目前被其他国家垄断。主要进口商用绝对重力仪是美国Mi-crogLacoste公司生产的FG5-X。目前，中国本土企业正在完成量子重力仪从实验室到商业化的转变。有望通过量子信息技术打破重力精密测量领域的垄断局面，从而进入精密测量仪器行业。从长远来看，全球精密测量行业的竞争格局可能会迎来一个转折点。 目前，量子引力测量仪器正在完成从实验室到商业化的转变。其中，量子重力仪的主要研究机构已经完成了从实验室到商业化的转变。美国、法国、中国和新加坡的公司已经推出了各种类型的商用量子重力仪。在量子重力梯度计方面，之前在实验室条件下已经比较成熟了。2022年，伯明翰大学团队首次将这种仪器带到非实验室环境下的首次演示，为商业化进程带来了重要突破，为传感在考古、航海、城市规划等领域的应用奠定了基础。一般来说，商业化 的量子引力梯度计起步相对较晚