量子测量技术与产业发展白皮书（2022）

QuantumntemetJndustryAJliance 量子测量技术与产业发展白皮书 (2022) 量子信息网络产业联盟 2023年5月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、现点、建设等：均不构成投资或法律建议，也不应替代律师意见： 本报告所有材料或内容的知识产权归量子信息网络产业联盟所有 （注明走可自其他方的内容除外）、并受法律保护。如转载联系本联盟并获得授权许可：未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转、汇编、转让、出售等方式使川，不得将报否的个部或部分内容通过网络方式传播：不得在任何公开场合使川报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任： 量子信息网络产业联盟 联系电话：010-62.300.592 邮箱：qiia(caict.ac.cn 编制说明 量子测量技术利川量子态以及它们对环境变化的高度敏感性实现物理量的精密测量。未来量子传感器将在许多领域大显身手，提升信息获取能力，从医疗诊断和成像、高精度导航、地球监测，到未来的物联网应川：量了测量技术路线繁多，但都具有独特的性质， 使其适川于特楚的应川场景。各种技术体系具有不同的成熟度：一些产品已经商业化，而某些样机仍处于开发的早期阶段。 我国量了测量领域具备良好的研究与应川实践基础，总体发展 态势良好，未来有望进一步得更多技术研究、应川探索与产业培育新成果：为对量了测量领域总体发展态势、科研、应川及产业的进展情况和热点问题，及技术演进趋势和应用前景等进行持续跟踪研判：联盟组织研究编写广2022年版《量了测量技术与产业发展白 皮书》，供业界参考。 报告编写单位：中国信息通信研究院、中国计量科学研究院、国仪量了（合肥）技术有限公司、中国电了科技集公司电广科学研究院、北京航空航大大学、山东国耀量广击达科技有限公司、北京未磁科技有限公司、北京量子信息科学研究院 报告写组战员张萌、力传奇、曹王英、张雪松、张幕、刘爽彤、李文文、丁铭、中屠国操、杨仁榻 前言 量广测量技术作为量广信息领域的一个重要分支，受到泛的关注，其测量精度有望突破经典物理的极限：未来将在基础理论研究、航空航天、生物医药、惯性制导、能源期探等诸多领域应用：因此受到各国政府的关注，竞相布局，加人研究并发的力度。近年来，科研领域保持活跃，性能指标不断提升，同时与生物医疗、地质探测等诸多领域相结合涌现出一系列应用成果案例。 本报告对量子测量领域的息体本发展态势、关提技术研究、成用场景探素和产业发展进行分析探讨、闸述我国面临的机遇与挑战，为我国量子信息技术发展提供策略建议。 本研究报告共分为五章、相关章节内容安排如下： 第章：量子测量领域概况。介绍量子测量技术的原理概念分 类、意义重要性、客国政策项日布局以及文款与判识产权分析等。 第一章：科研进展与成果，介绍量子测量领域客技术分支近年 来科研领域重要热点、进展、成果和趋势。 第三章：应用场景探索。介绍量子测量领域近年来应用领域单 要热点、进展、成果和趋势。 第四章：产业发展动态。介绍量子测量领域近年来产业领域重 要热点、进展、成果和趋势。 第五章：发展趋势建议。总结量子测量领域发展趋势，梳理我 国发展中面临的主要问题，并提出意见与建设， ．虽子测虽领域概况 1 （一）虽子测量更准确、更精细、更可靠 1 （二）各国政府布局加快推动量子测量发展 .3 （三）量子测量科研与技术创新持续活跃 10 .科研进展与成果18 （一）多种技不路线面向不同应川场景 18 （二）光钟不确定度突破1E-19虽级 24 （三）量子时频传递突破飞秒量级 27 （四）量了磁测量取得诸多科研进展 28 （五）里德保量子天线测量进展迅速 31 （六）量了重力测量工程化日趋成熟 33 （-七）量了成像实现“超长距““非视域” 35 （八）基于纠缠的量了测量提升精度 37 三.应川场景探索 39 （一）量广测量为无创检测和诊断提供新下段 39 （二）光量了子雷达“软目标“探测助力环境治理 43 （三）量广日标识别与探测“看得远”、“辨得清“ 44 （四）量了重力仪将成为测绘勘探的新方案 46 （五）量测量赋能行业数字化转型 47 （六）量了痕量检测开拓新型应用场景 49 四·产业发展动态 50 （一）量广测量产业稳步发展：资本持续注入 05 （二）从样机到产品：虽子测虽企业持续发力（三）标准研究逐步开展，尚未形成标准体系 52 五·总结与发展 57 当且 二 图目录 2] 图1革子测革技术体系柜架 图2论文产山总体趋势11 图3论文产出主要围家分布11 图4主要机构论文产山年代分布12 图5WebofSeience学科类别13 图（关链词聚类14 图了专利中请数量年度趋势15 图8专利中请数量年度趋势15 图9公开国年度分布16 图10主要技术研发机构分布17 图11技术概念聚类分布18 图12量子测量技术主要物理路线19 图13金刚石中氮-空位（NV）色心原子结构和能级结构21 图14SQUID结构示意图23 图15光钟不确定度指标以及术来的应用场景25 图16欧美利中国主要广测量企业分位 表目录 表12021年1月-2022年12月虽子测虽领域投融资情况51 表2量子测量国家标准计划项目56 一一、、量量子子测测量量领领域域概概况况 (（一一)量)量子子测测量量更更准准确确、、更更精精细、细更、可更靠可靠 测测量量传传感感技技术术是是现现代代信信息息技技术术的的重重要组要成组部成分部，分与，通与信通技信术技、术计、计算算技技术术构构成成信信息息技技术术产产业业的的三三大大支支柱柱。如。如果将果计将算计机算比机作比大作脑大，脑将，通将通信信网网络络比比作作神神经经，，那那么么传传感感器器就就相相当当于于五五官官，，获获取取各各方方面面的的原原始信始息信。息。随随着着科科技技的的发发展展和和应应用用领领域域的的扩扩展展，，对对测测量量传传感技感术技的术要的求要也求目也益日产益严苛，，极极弱弱信信号号的的探探测测、纳、纳来米级级/分/子分级子的级空的间空分间辨分率辨、率超、觉超的宽动的态动范态围范、围、芯芯片片级级的的模模块块尺尺寸寸等等等等，，经经典典的的测测量量传传感感技技术术在在某些某特些定特场定景场中景难中以难以满满足足。。 量量子子测测量量，，也也称称量量子子传传感感，，是是指指利利用用量子量特子性特获性得获超得高超精高度精的度传的传感感测测量量技技术术，，即即基基于于对对申中性性原原子子、、离离子子、、光光子子等等微观微粒观子粒察子统系的统调的控调控和和观观测测，，提提升升传传感感测测量量的的性性能能。。量量子子体体系系的的状状态极态易极与易外与界外坏界境环相境互相互耦耦合合从从而而发发生生改改变变，，量量子子计计算算中中为为了了保保护护量量子比子特比的特状的态状，态延，长延相长于相干操操作作的的时时间间需需要要一一系系列列严严苛苛的的外外围围保保障障措施措，施比，比如接如近接绝近对绝零对度零的度环的环境境温温度度等等。。如如果果将将量量子子体体系系的的“敏“感敏性感”加性以”利加用以，利可用以，利可用以量利子用体量子体系系状状态态的的改改变变，，例例如如能能级级跌跃迁迁、、原原子子级级别别相相干性干等性，等以，更以高更灵高敏灵度敏和度和精精度度，，实实现现对对外外界界多多种种物物理理量量的的探探测测，，即即测测的更的准更确准。确同。时同，时由，于由量于量子子测测量量的的““探探针针”可”以可是以原是子原团子，团甚至，单甚个至原单子个、原离子子、或离光子子或，光探子测，探测与与测测量量的的空空间间分分辨辨率率可可以以达达到到细细胞胞，，甚甚至至分分子子的的尺尺度，度即，即测测的的更更精细精。细。此此外外，，量量子子测测量量是是利利用用微微观观粒粒子子的的固固有有性性质，质如，原如子原的子能的级能结级构结和构相和相 1 量量子子测测量量技技术术与与产业产发业展发白展皮白书（皮2书02（2）2022） 干于性性等等，，测测量量物物理理量量，，不不需需要要依依靠靠外外部部的的计计量量校校准和准溯和源溯，源具，有具良有好良好的的复复现现性性和和统统一一性性，，即即测测的的更更可可靠靠。。 应应用用 行行业业应应用用 基基础础科科研研、、军军事事国国防防、能、源能地源质地、质环、境环气境象、气生象物、医生疗物、医疗、 工工业业检检测..测. 软软件件 硬硬件件 软软件件/算/算法法 测测控控软软件件、数、据数处据理处软理件软(/算件法(/）算、法应）用、软应件用软件 量量子子传传感感器器 量量子子时时钟钟、、量量子子磁磁力力计计、、量量子子陀陀螺螺仪仪、、，量量子子加如速速度度计计、、量量子子重重力力仪仪、、量量子子重重力力梯梯度度仪仪、、量量子子需雷达达 系系统统模模块块 》量子量态子制态备制、备量、子量态子操态控操、控量、子量态子测态量测、量量、子量态子读态取读取 核核心心组组件件 》激激光光器器、、微微波波源源、、原原子子气气室室、、单单光光子子探探测测器器.. 底底层层物物理理媒媒质质 》中性中原性子原、子离、子离、子光子、、光原子子、核原、子电核子、、超电导子..、.超导 外外围围保保障障系系统统 制制冷冷系系统统、、隔隔抵振系系统统、、真真空空系系统统、、磁磁屏屏蔽蔽系系统统. 图图11量量子子测测量量技技术术体体系系框框架架 量量子子测测量量技技术术体体系系架架构构如如图图1所1示所。示底。层底为层实为现实量现子量测子量的测量量的量子子体体系系，，或或称称为为物物理理媒媒质质，，以以及及外外围围的的保保障障系系统统。。物物理理媒媒质质包包括括原原子子、、离离子子、、电电子子、、光光子子等等微微观观粒粒子子体体系系。。根根据据不不同同物理物媒理质媒的质不的同不性同质性可质可以以实实现现不不同同物物理理量量的的测测量量。。包包含含物物理理媒媒质质的的集集成成器件器是件量是子量测子量测装量置装置的的核核心心，，比比如如原原子子气气室室、、NNV色V心色探心针探等针。等其。他其核他心核器心件器还件包括还用包于括用于量量子子态态产产生生、、调调制制、、探探测测的的器器件件，，包包括括激激光器光、器微、波微发波生发器生、器光、电光探电探测测器器等等。。由由核核心心器器件件和和必必要要的的光光学学、、电电学学器器件件组组件件共共同同组组成成系系统模统块模：块， 进进一一步步组组成成量量子子测测量量装装置置（（或或称称为量为子量传子感传器感）器。）为。了为实了现实精现准精的准控的控制制以以及及数数据据的的处处理理分分析析，，完完整整的的量量子子测测量量装装置置或或系统系还统包还括包必括要必的要软的软件件功功能能模模块块。。 近近年年来来在在实实验验验验证证和和样样机机升开发发上上取取得得了了诸多诸成多果成。果硬。件硬系件统系样统样机机开开发发方方面面，，国国内内外外高高校校和和研研究究机构机研构制研的制原的理原实理验实平验台平日台超日成熟趋，成熟，实实验验上上能能够够获获得得超超越越传传统统测测量量技技术术的测的量测精量度精，度性，能性指能标指不标断不提断升。提升。部部分分技技术术方方向向正正逐逐步步探探索索工工程程化化和和落落地地应用应。用软。件软算件法算开法发开方发面方，面目，目前前研研究究的的热热点点在在于于数数据据处处理理算算法法，，将将AIA等I技等术技对术测对量测数量据数挖据掘挖分析掘，分析，更更有有效效地地获获得得精精确确测测量量结结果果；；通通过过对对参参数数化化的的量量子测子量测体量系体送系代迭优代化优：化，亦亦可可获获得得更更高高的的测测量量精精度度；；应应用用软软件件方方面面目前目研前究研较究少较，少未，来未商来用商落用落地地和和产产业业化化需需要要开开发发简简单单的的交交互互操操控控系统系和统直和观直的观结的果结展果示展界示面界。面总。总体体而而言言，，量量子子测测量量进进入入从从基基础础科科研研向向商商业落业地落转地化转关化键