2023量子精密测量产业发展报告中文版

2023 全球量子精密测量产业发展展望 2023年2月 序言 传感器技术是现代科技的前沿技术，许多国家已将传感器技术、通信技术和计算机技术列为同等重要的位置，称之为信息技术的三大支柱之一。而量子传感器更是传感领域的颠覆性变革技术，能将人们所能达到的精度又提升一个新的高度。 2022年，量子精密测量仪器在各技术路径方面都有所突破，之前停留在实验室运行的仪器也开始逐渐走出实验室。在今年早些时候，美国官方颁布了首份量子精密测量行业的撰写报告，有别于之前量子精密测量行业被量子信息科技行业“打包”分析的情况，量子精密测量行业的行业关注度被提升到了前所未有的高度。 2022年可以说是“冷原子技术元年”，技术原理方面，美国与中国的超冷柜被送入太空，在太空环境下对冷原子进行深度研究。应用方面，英国伯明翰大学领导的量子重力梯度仪走出实验室，法国iXblue也发布了首款商用量子重力梯度仪。随着原子钟、原子磁力计、量子重力仪、量子重力梯度仪等设备商业化的逐渐成熟，我们也可以展望一下，2023年量子精密测量的应用进展会是什么，是否会紧随量子计算其后出现“中性原子元年”带来原子天线的商业化突破？或是冷原子技术的再度演变，量子陀螺仪和量子加速度计产品落地？或是光钟的精度提升再一次重新定义“秒”？令人期待的是，每一项技术的突破都将让量子精密测量的产业规模呈现阶梯式上升。 虽然2022年的量子精密测量相关投融资活动相对放缓，但从全人类的发展和历史角度上讲，探索并掌握越来越高的精度是文明发展的必要的条件。我们相信，只要保持对量子精密测量领域的信心，持续发展，保持精进，人类社会的文明程度将勇攀高峰，更上一层楼！ ICV前沿科技咨询总监、高级副总裁：JudeGreen 声明 本报告阐明的观点力求独立、客观，不构成任何广告。本报告数据以公开信息为主，以及对公开数据的整理。 本报告版权归ICVTAnK和光子盒所有，其他任何形式的使用或传播，包括但不限于刊物、网站、公众号或个人使用本报告内容的，需要注明来源（2023全球量子精密测量产业发展展望.ICVTAnK&光子盒2023.02）。 使用本报告内容时，不得对本报告进行任何有悖原意的引用、删减和篡改。未经书面许可，任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制或发表。如征得同意进行引用、转载、刊发的，需在允许范围内。违规使用本报告者，承担相应的法律责任。 本报告引用数据、事件及观点的目的在于收集和归纳信息，并不代表赞同其全部观点，不对其真实性负责。 本报告涉及动态数据，表达截至发稿时的情况，不代表未来情况。本报告中的信息或所表述的观点均不构成投资建议，请谨慎参考。 如有其它问题，请联系infer@icvtank.com，zhangxinyu@quantumchina.com。 致谢 本篇报告由全球前沿科技咨询机构ICV邀请中国量子科技平台公司光子盒联合研究和发布。感谢包括但不限于以下公司给予技术和素材的支持： 目录 行业研究定义05 行业进展08 产业链分析25 投融资分析44 市场规模分析51 附件61 Chapter1 行业研究定义 1.1量子精密测量的由来 我们能找到一个有希望的量子力学的现实世界应用，利用它最违反直觉的特性吗？ 自20世纪初的量子理论发展以来，物理学家们被这个问题一直吸引着。 量子计算机和量子通信被广泛认为是最有前途的量子应用，但技术研发进展较慢，其中主要原因之一是源自量子系统的弱点——它们对外部干扰的强烈敏感性。量子精密测量便是利用这核心弱点，实现对外部某些物理量的测量，也是近年来量子信息技术的新兴应用定义。 近年来，量子精密测量已经成为量子信息科学和技术领域的一个独特且快速增长的研 究分支，以量子力学系统为基础来测量各种物理量，从磁场和电场，到时间和频率，到旋转，到温度和压力。量子信息的发展趋势可以让人想起半导体的历史，例如，基于硒光电管的测光表（硒测光表），其比计算机早几十年得到了商业应用。 图表1-1量子科技革命和产业变革正在孕育兴起 20世纪初 第一次量子革命 第一次量子革命，经典力学测量在微观层面被颠覆。经典力学认为物体的状态是可以被测量的，并且测量行为对被测对象的干扰可以忽略不计。经典测量系统对物质的认知为：都有一个确定的值，甚至是一个注定的值，在测量开始前就已确定，不受测量工具和测量者的影响，无论这一系统是物质的还是非物质的（速度、位置、音量、方向等）。但这种对于测量的认知因为20世纪初量子力学以及相对论的诞生彻底发生了改变，量子力学革命性的新理论颠覆了物理学上一切在以往看来是确定且不变的东西。 20世纪70年代第二次量子革命 以量子信息技术为代表的量子调控，通过操控量子体系（电子、光子等）的微观量子行为（主动调控与操纵），产生了量子信息技术，带来了“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，是利用量子力学规律引领测量的变 革——测量、观测、注视会对被测量子系统产生影响，比如改变被测量子系统的状态；处于相同状态的量子系统被测量后可能得到完全不同的结果。在对更高精度测量的追求下，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变革，以前所未有的精度对物质进行测量。 虽然量子精密测量作为量子科学和工程的一个独特的研究领域是相当新的，但许多定义与概念是物理界早已存在的技术理论，我们可以根据发展历史将它们简单分为两类。 “旧”“新” 量子概念出现后被囊括的相关学科，部分技术理论经过几十年的发展已经变得相对成熟。例如高分辨率光谱学，微观物理的原子物理和磁共振等等。例如，原子钟、原子蒸汽磁强计和超导量子干涉装置。 以及量子系统在单原子水平上的研究逐渐成熟，诞生的新技术。例如，量子纠缠被用作提高灵敏度，是专门为传感目的而设计的量子系统。例如，基于NV色心技术的磁力计、基于离子阱技术的原子钟。 随着量子力学基础研究的突破和实验技术的发展，人们不断提升对量子态进行操控和测量的能力，从而可以利用量子态进行信息处理、传递和传感，对一些关键物理量进行高精度与高灵敏度的测量。例如在时间、频率、加速度、电磁场等物理量上可以获得前所未有的测量精度。整个现代自然科学和物质文明是伴随着测量精度的不断提升而发展的，量子精密测量可以理解为经典精密测量在基础研究进步条件下的升级迭代。以时间测量为例，从古代的日晷、水钟，到近代的机械钟，再到现代的石英钟、原子钟，随着时间测量精度不断提升，通信、导航等技术才 得以不断发展。6 最近，量子精密测量已经成为量子科学和技术领域的一个独特且快速增长的研究分支。“新”平台（自旋量子位、捕获离子和通量量子位等）有望在应用物理学和其他科学领域提供新的机会——特别是在高灵敏度和精度方面。 1.2量子精密测量的介绍 原理定义 量子精密测量旨在利用量子资源和效应，实现超越经典方法的测量精度，是原子物理、物理光学、电子技术、控制技术等多学科交叉融合的综合技术。基本原理：外界的电磁场、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，对这些变化后的量子态进行测量，从而实现对外界物理量的测量 经典测量 原子物理控制技术物理光学 …… 电子技术 量子精密测量 测量工具 原子、分子、离子、光子（单光子、纠缠光子对）、电子、声子 测量指标 灵敏度（在积分时间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（信号采样的频率）；工作温度等 测量目标 磁场和电场、旋转、时间、力、温度和光子计数等 图表 原理及定义 1-2 当前各类国家政策、报告等文献中因各国技术专长领域不同、语言不同等因素，导致出现多个不同的名称，本文将以“量子精密测量”指代这一技术和应用领域。特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、量子重力测量、量子惯性测量和量子目标识别五大应用领域。根据被测物理量的不同进行划分。主要应用场景涵盖航空航天、防务装备、地质资源勘测、基础科研和生物医疗等众多领域，应用与产业发展前景广阔。 国家 时间 项目 名称 翻译 美国 2022 《将量子传感器付诸实践》 Quantumsensorsandmeasurementdevices 量子传感器和测量设备 英国 2020 《NQTP计划》 Quantumimaging，andquantumsensingandtiming 量子成像、量子传感和计时 德国 2021 《量子系统议程2030》 QuantenmesstechnikandSensorsysteme 量子测量技术和传感器系统 中性原子 离子阱 里德堡原子 固态自旋 超导电路 …… 量子纠缠 相干叠加 能级跃迁 量子精密测量 基本原理 测量步骤 图表 量子特性 微波原子钟 量子重力仪 量子加速度计 光钟量子磁力仪 量子重力梯度 分子钟仪 量子陀螺仪 报告分析框架 1-3 场强计干涉量子雷达量子增强雷达量子照明雷达 实现方式 产品分类 时间测量 磁场测量 重力测量 惯性测量 目标识别 应用方向 7 Sources:GuoqingWang，MITwebsite Chapter2行业进展 2.1主要进展 2.1.1美国首次发布量子精密测量行业独立战略计划报告 主要进展通过梳理行业进展及科技进展（详见Appendix-1&2），筛选出对量子精密测量未来发展具有重要意义的进展进行列举。2022年，量子精密测量技术路径百花齐放。随着量子精密测量工程样机的持续迭代，越来越多样机走出实验室，迈向产品化。 美国官方颁布了首份量子精密测量行业的撰写报告。同时，各国政要对量子精密测量行业的关注持续增加，有别于之前量子精密测量行业被量子信息科技行业“打包”分析。 除美国外的主要量子精密测量科技国（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，然而，美国在2022年4月发布量子传感器战略政策——BringingQuantumSensorsFruition（将量子传感器付诸实践），这是首次有国家针对量子精密测量这一领域发布独立战略计划报告。目前，中国、英国、德国、法国等已在不同程度、不同技术领域提高对量子精密测量领域的重视度，未来，各国将有可能随着技术进步，发展路线清晰化，经过审慎评估后，发布单独的计划，更加详细的指出未来战略发展方向。主要发展方向如下图所示： 图表2-1美国量子精密测量报告五类主要仪器 工作原理 应用领域 原子钟 当标准GPS信号不可用时，使用原子钟辅助网络和高精度时间传输协议可以为导航系统提供弹性 地质学、地震学、石油勘探、电网运营和金融服务业等 原子干涉仪 在基础物理学领域的应用包括万有引力常数（大G）的测量、等效原理（自由落体的普遍性）的测试、毫米级的引力测量、暗物质粒子的搜索以及引力波探测的可能替代方法 火山学、地下水、矿藏、潮汐动力学和冰层等地球科学研究，陀螺罗盘、卫星定位、制导、导航重力测绘和海底避障等应用 光学磁力器 基于蒸汽、玻色凝聚体或固态系统（如金刚石中的氮-空位（NV）中心）中原子自旋的光学磁力计 用于神经功能的生物医学研究，支持生物样本的无创检测和表面科学的新工具 利用量子光学效应的装置 利用量子光学效应的设备提供了突破显微镜、光谱和干涉测量中的标准量子极限的机会。非经典状态的光子使测量达到海森堡极限 DNA测序、酶活性跟踪、粒子物理学、暗物质搜索、量子网络协议和微光遥感 原子电场传感器 使用里德堡原子态作为换能器或量子天线，来测量从直流（0Hz）到太赫兹（1012Hz）的宽频率范围内的电磁场 应用于遥感和电测领域，其他应用包括扩大蜂窝塔之间的距离，以及采集具有宽动态范围的信号 2.1.2量子时间测量多方面取得突破与进展 叶军团队制作出全球最精确的原子钟，可验证广义相对论；中国梦天实验舱送入太空首个高性能光钟 叶军团队开发出了全球最精确的原子钟，在1毫米高度差上，时间相差约1千亿亿分之一，即3000亿年差