1 引言

精密測量技術(shù)作為信息獲取的主要途徑，在信息產(chǎn)業(yè)中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。隨著(zhù)遠程醫療、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，IoT）、車(chē)聯(lián)網(wǎng)（Internet of Vehicles，IoV）等技術(shù)的興起，超精密、小型化、低成本的傳感器、生物探測器、定位導航系統等關(guān)鍵傳感測量器件的產(chǎn)品市場(chǎng)需求量將迅猛增長(cháng)。經(jīng)典測量技術(shù)的精度往往受限于衍射極限、散粒噪聲等因素，測量精度難以進(jìn)一步提升。而量子測量技術(shù)基于量子體系的糾纏、壓縮、高階關(guān)聯(lián)等特性，使得測量精度顯著(zhù)提升，甚至可以突破經(jīng)典測量的散粒噪聲極限。量子測量技術(shù)范圍十分廣泛，不同領(lǐng)域間發(fā)展不均衡，其中某些較為成熟的領(lǐng)域正逐步向小型化、集成化、芯片化方向發(fā)展，成為產(chǎn)學(xué)研多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2 量子測量技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 量子測量技術(shù)的原理及特征

量子測量技術(shù)利用特定的量子體系（如原子、離子、光子等）與待測物理量（如磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等）相互作用，使之量子態(tài)發(fā)生變化，通過(guò)對體系最終量子態(tài)的讀取及數據后處理過(guò)程實(shí)現對物理量的超高精度探測?；究梢苑譃榱孔討B(tài)初始化、與待測物理量相互作用、最終量子態(tài)的讀取、結果處理等關(guān)鍵步驟，具體參見(jiàn)圖1。量子態(tài)的初始化是通過(guò)控制信號將量子體系調控到特定的初始化狀態(tài)；與待測物理量相互作用后會(huì )導致量子體系的量子態(tài)發(fā)生變化，直接或間接的測量最終的量子態(tài)，再將測量結果處理轉換成傳統信號輸出，獲取測量值。量子測量技術(shù)應具備以下基本要素：一是“測量工具”是量子系統，如單光子、糾纏光子對、原子、離子等；二是“測量工具”與測量對象之間相互作用，使其量子態(tài)發(fā)生變化，并且這種變化是可以通過(guò)直接或間接手段讀取的。按照對量子特性的應用，量子測量可分為基于量子能級躍遷、基于量子相干性、基于量子糾纏的3種量子測量技術(shù)。

2.2 量子測量技術(shù)應用領(lǐng)域及優(yōu)勢

量子測量技術(shù)可以用于探測磁場(chǎng)、電場(chǎng)、加速度、角速度、重力、重力梯度、溫度、時(shí)間、距離等物理量，應用領(lǐng)域包括基礎科學(xué)研究、軍事國防、航空航天、能源勘探、交通運輸、災害預警等[1]。目前，量子測量的研究主要集中在量子目標識別、量子重力測量、量子磁場(chǎng)測量、量子定位導航、量子時(shí)頻同步五大領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域又細分諸多技術(shù)方案，具體參見(jiàn)圖2。

超高精度是量子測量技術(shù)的核心優(yōu)勢。例如，傳統的機電陀螺的測量精度一般只能達到1E-6°/h量級，而量子陀螺儀的理論精度高達1E-12°/h[2]；傳統重力儀受落體時(shí)間間隔限制，重復率低，噪聲較大，精度可達1E-9g，原子重力儀基于冷原子干涉技術(shù)，理論上可使現有絕對重力測量靈敏度提高1000倍[3] ；傳統雷達成像的精度受衍射極限的限制，而量子雷達利用電磁場(chǎng)的高階關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行成像，分辨率可突破衍射極限，進(jìn)一步提升成像和探測精度[4]。

2.3 量子測量技術(shù)研究發(fā)展趨勢

基于量子能級的測量技術(shù)利用量子體系在待測物理量的作用下能級結構發(fā)生變化（如能級間距變化、能級劈裂或簡(jiǎn)并、馳豫時(shí)間變化等），量子體系的輻射或吸收譜可以反映出待測物理量的大小，這類(lèi)量子測量技術(shù)相對成熟，已實(shí)現產(chǎn)業(yè)化。但部分技術(shù)方案對外界環(huán)境（如溫度、磁場(chǎng)等）要求較高，依賴(lài)于對量子態(tài)的操控技術(shù)。

基于量子相干性的測量技術(shù)主要利用量子體系的波動(dòng)特性，使兩束原子束在檢測點(diǎn)發(fā)生干涉，由于待測物理量對兩束原子的作用不相同，因此兩束原子的相位差反映了待測物理量的大小。其技術(shù)成熟度和測量精度均比較高，廣泛應用于定位制導、重力探測等領(lǐng)域。但通常體積較大，難以集成化。目前，已開(kāi)展小型化、可移動(dòng)化方向的研究。

以上兩類(lèi)量子測量技術(shù)的小型化、實(shí)用化、芯片化已成為研究熱點(diǎn)，表1展示了近些年國際和國內在小型化、芯片化方面的研究成果。小型化、芯片級、低功耗的高精度量子測量裝置為量子測量技術(shù)進(jìn)一步實(shí)現商用奠定了基礎。

基于量子糾纏的測量技術(shù)精度理論上可以突破經(jīng)典極限，達到海森堡極限，實(shí)現超高精度的傳感與測量。目前，這種測量技術(shù)主要應用于量子雷達、量子同步傳輸協(xié)議以及量子衛星導航領(lǐng)域。但成熟度較低，糾纏量子態(tài)的制備、操控等關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，現階段仍處在試驗探索階段，產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化前景尚不明朗。

3 量子測量產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析

鑒于量子測量技術(shù)應用十分廣泛，涉及民生、軍事國防、基礎科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域，多國相繼出臺各自發(fā)展戰略和研究計劃。中國《“十三五”國家基礎研究專(zhuān)項規劃》、美國《量子信息科學(xué)國家戰略概述》、英國《英國量子技術(shù)路線(xiàn)圖》、歐盟《量子宣言》以及日本“量子飛躍”項目中都明確將量子測量技術(shù)作為重要的研究方向。歐美國家量子測量領(lǐng)域研究實(shí)現科研院所、商業(yè)企業(yè)、軍隊軍工、政府機關(guān)多方合作，聯(lián)合助力，共同推進(jìn)技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)研究成果落地和實(shí)用化產(chǎn)品化。目前，涉及量子測量技術(shù)的國際公司包括AOSense、μQuans、Twinleaf、Oscilloquartz、Northrop Grumman等，量子加速度計、時(shí)鐘源、雷達成像、磁力儀、陀螺儀、重力儀均已實(shí)現產(chǎn)品化，廣泛應用于航空航天、軍事軍工、電信網(wǎng)絡(luò )、能源勘探、醫學(xué)檢測等諸多領(lǐng)域。

國內量子測量技術(shù)研究的優(yōu)勢在于科研機構數量眾多，政府十分重視，科研方面的資金投入和扶持力度都十分可觀(guān)?？蒲谐晒麛盗颗c歐美國家持平，但是部分性能指標參數仍有數量級差距。目前，國內量子測量技術(shù)研究的主要參與者仍是科研院所和高校，商業(yè)企業(yè)介入較少，科研院所、高校和行業(yè)公司缺乏交流與合作的平臺，實(shí)驗室研究和實(shí)際應用需求之間存在隔閡，很難推動(dòng)科研成果落地，產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈尚未形成。目前，國內涉及量子測量的商業(yè)公司主要集中在量子時(shí)鐘源領(lǐng)域，少數初創(chuàng )公司致力于量子雷達、量子態(tài)操控與讀取等領(lǐng)域。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)看，全球量子測量產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)收入逐年增長(cháng)。BCC Research報告指出[12] ，全球量子測量市場(chǎng)收入額在最近兩年內年均復合增長(cháng)率（CAGR）約為10%左右，并預計在2020—2025年期間增長(cháng)到約3 億美金。從圖3可以看出，原子鐘、重力儀、磁力計領(lǐng)域發(fā)展較早，技術(shù)相對成熟，占據量子測量絕大部分份額。如果按地域劃分，目前歐美國家，特別是北美收入額占比最高，預計未來(lái)5年仍將處于主導地位。而亞太地區，特別是中國，未來(lái)量子測量產(chǎn)品的需求量或將占據主導地位。隨著(zhù)近年來(lái)國內遠程醫療、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、IoT、IoV、自主機器人、微型衛星等技術(shù)與應用的逐步成熟，超精密、小型化、低成本的傳感裝置、生物探測器、定位導航系統等器件的需求量會(huì )顯著(zhù)增長(cháng)，廣闊的市場(chǎng)潛力不容小視。

4 量子測量技術(shù)在通信網(wǎng)中的應用

未來(lái)，5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、量子通信等技術(shù)發(fā)展對時(shí)鐘同步提出了更高的需求：在3GPP R4-1802142 CR38104-f00中，對不同類(lèi)型的協(xié)同增強同步提出要求，如多入多出和發(fā)射分集技術(shù)的時(shí)間偏差要求為65ns，對于帶內連續載波聚合低頻基站（Sub 6G）時(shí)間偏差要求為260ns[13] ；在ITU-T立項G.8272.1，制定增強型時(shí)間服務(wù)器（PRTC+）標準，要求同步精度優(yōu)于±30ns；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中傳感器數據、音視頻文件、控制指令等對時(shí)間十分敏感，時(shí)間同步誤差絕對值要求不高于1μs[14] 。而通信網(wǎng)絡(luò )中的時(shí)鐘同步精度主要取決于時(shí)鐘源精度和同步傳輸協(xié)議的精度。因此，提高通信網(wǎng)絡(luò )的時(shí)鐘同步精度可以從源頭和傳輸協(xié)議兩個(gè)方面進(jìn)行。

作為時(shí)鐘源頭設備的高精度時(shí)間服務(wù)器（PRTC/ePRTC），可采用衛星授時(shí)或者超高精度地面授時(shí)。衛星授時(shí)存在一定誤差、部署成本較高、無(wú)法覆蓋室內場(chǎng)景，更重要的是存在可靠性和安全性隱患。地面授時(shí)通過(guò)光纖授時(shí)溯源至國家授時(shí)單位，取決于地面時(shí)鐘源的精度，目前中國計量科學(xué)研究院參與駕馭國際原子時(shí)的NIM5銫原子噴泉微波鐘的不確定度約為9E-16量級[15]。

量子時(shí)間基準研究領(lǐng)域目前研究的熱點(diǎn)為原子或離子光鐘。由于時(shí)鐘的穩定性和精度極大程度上取決于參考譜線(xiàn)的線(xiàn)寬Δν與譜線(xiàn)中心頻率ν的比值，光學(xué)頻率比微波頻率大約高5個(gè)數量級，且能達到更高的相對頻率穩定性。由于光學(xué)頻率基準主要基于單個(gè)囚禁離子或中性費米子原子的頻率基準，原子間相互作用引起的頻移很低，其他相對頻移如黑體輻射也很低，可以達到更好的精度。目前，由美國標準技術(shù)研究院研制的鐿原子光鐘是全世界最好的光鐘，其不確定度可達到1.4E-18量級[16]。國內光鐘的報道中性能最優(yōu)的是中科院武漢物理與數學(xué)研究所的鈣離子光鐘，不確定度約為5E-17量級[17]。由于還沒(méi)有電子系統能夠直接準確地記錄每秒5E14次的光學(xué)振動(dòng)，因此光鐘在實(shí)際系統中的應用一度存在難點(diǎn)。光學(xué)頻率梳為超高精度同步實(shí)現提供了新的技術(shù)手段，可將光頻率的穩定性和精度“傳遞”到微波頻率，使得微波原子鐘具有與光鐘相同的輸出特性，提高了時(shí)鐘輸出精度。

為了將時(shí)鐘源頭的同步信息傳遞到末端的終端設備，還需要高精度的同步傳輸協(xié)議。目前，通信網(wǎng)絡(luò )中最成熟的同步傳輸協(xié)議是1588v2，單節點(diǎn)時(shí)間同步精度為±30ns?；诹孔有牧孔訒r(shí)間同步協(xié)議理論上可以突破經(jīng)典極限，實(shí)現更高精度的同步信息傳遞。

理論研究發(fā)現，在相同條件下，量子時(shí)間同步精度極限比經(jīng)典時(shí)間同步極限提高M(jìn)N倍（N為一個(gè)脈沖中包含的平均光子數，M為脈沖數）[18]。量子時(shí)間同步協(xié)議精度理論上可達到ps量級。因此，國內外多家研究機構開(kāi)展了基于量子效應的時(shí)間同步協(xié)議，表2列舉了目前提出的幾種量子時(shí)間同步協(xié)議的方案。量子時(shí)間同步協(xié)議的研究仍處在實(shí)驗室驗證階段，很多核心技術(shù)和關(guān)鍵問(wèn)題有待突破，比如大量處于糾纏態(tài)的光子對的制備等。