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系列报告 | 量子测量技术发展路线及趋势

量子创投界

2021-12-02

导读：系列报告 | 量子测量技术发展路线及趋势

量子测量发展路线图

随着精密测量技术的发展，传统的机电仪表，已从光学仪表过渡到量子仪表，传感技术进入量子化时代。该类基于磁、光与原子相互作用的量子传感器具备高精度和小体积的特点，是未来仪器仪表的发展趋势。目前，诸多基本物理量基准已实现量子化，量子测量具备作为标定基准的高精度潜力。同时，原子钟、原子重力仪、原子磁强计、原子陀螺等量子传感器正在蓬勃发展。回顾历史，传感器技术主要经历了四个发展阶段。

第一代：结构型传感器：利用结构参量变化来感受和转化信号，例如：电阻应变式传感器，它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。

第二代：固体传感器和集成传感器：固体传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成的。如：利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。集成传感器包括2种类型：传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。这类传感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点。

第三代：智能传感器：所谓智能传感器是指其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。

第四代：量子传感器：量子传感器是根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置，目前可以利用量子传感器来测量加速度、重力、压力、温度、时间和磁场等精确性参数，在灵敏度、准确率和稳定性上相比传统传感器都有了不止一个量级的提高。量子测量是未来传感测量技术发展演进必然趋势。

图传感器技术主要发展阶段

来源：量子创投界根据公开资料整理

量子测量技术发展趋势

量子测量按照对量子特性的应用方式不同，可以分为三种技术类型：一是使用量子能级测量物理量；二是使用量子相干性或干涉演化进行物理量测量；三是使用量子纠缠态和压缩态等独特量子特性来进一步提高测量精度或灵敏度。

01 基于量子能级测量

基于量子能级的测量技术利用量子体系在待测物理量的作用下能级结构发生变化(如能级间距变化、能级劈裂或简并、驰豫时间变化等),量子体系的辐射或吸收谱可以反映出待测物理量的大小,这类量子测量技术相对成熟,已实现产业化。但部分技术方案对外界环境(如温度、磁场等)要求较高,依赖于对量子态的操控技术。

02 基于量子相干性测量

基于量子相干性测量技术主要利用量子体系的波动特性,使两束原子束在检测点发生干涉,由于待测物理量对两束原子的作用不相同,因此两束原子的相位差反映了待测物理量的大小。其技术成熟度和测量精度均比较高,广泛应用于定位制导、重力探测等领域。但通常体积较大,难以集成化，目前, 开展小型化、芯片化和可移动化研发，增强系统实用性。

03 基于量子纠缠测量

基于量子纠缠的测量技术条件最为严苛，同时也最接近量子的本质，测量精度理论上可以突破经典测量技术的散粒噪声极限，达到自然物理原理所能达到的最根本限制—量子力学的海森堡极限，实现超高精度的传感与测量。目前,这种测量技术主要应用于量子雷达、量子同步传输协议以及量子卫星导航领域。但成熟度较低,纠缠量子态的制备、操控等关键技术尚未突破,现阶段仍处在试验探索阶段,产业化和实用化前景尚不明朗。

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