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系列报告 | 量子测量应用需求场景探索

量子创投界

2021-12-08

导读：系列报告 | 量子测量应用需求场景探索

1. 量子定位导航

量子定位导航系统是指利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。由于其不依靠接收卫星信号，属于无源定位系统，具有不向外辐射能量、隐蔽性好、不易受干扰、安全性高等优点。惯性敏感器主要是指角速度传感器和加速度传感器，即陀螺仪和加速度计。量子陀螺较传统机电式陀螺和光电式陀螺而言，在测量精度和小型化集成前景等方面都具有较大的优势。其中，核磁共振陀螺发展最为成熟，已经进入芯片化产品研发，原子干涉、超流体干涉和金刚石色心陀螺目前还处于原理验证和技术试验阶段，距离实用化较远。

量子定位导航的关键部件还有量子加速度计，英国国防科学与技术实验室(DSTL)在研究一种以超冷原子为基础的加速计，并命名为(QPS)，英国计划用这种量子系统对潜艇进行导航，导航精度比目前GPS最多高出3个数量级，可大幅提升潜艇隐蔽性。总体来说，相关技术在自动驾驶、无人机、潜艇、导弹等领域有广阔的前景。

图英国量子定位系统（QPS）海上应用示意图

来源：中国科学院遥感与数字地球研究所

2. 量子时间基准

量子时间基准利用原子能级跃迁谱线的稳定频率作为参考，通过频率综合和反馈电路来锁定晶体振荡器的频率，从而得到准确而稳定的频率输出。量子时间基准研究领域目前研究的热点为原子或离子光钟。由于时钟的稳定性和精度极大程度上取决于参考谱线的线宽Δν与谱线中心频率ν的比值，光学频率比微波频率大约高5个数量级，且能达到更高的相对频率稳定性。由于光学频率基准主要基于单个囚禁离子或中性费米子原子的频率基准，原子间相互作用引起的频移很低，其他相对频移如黑体辐射也很低，可以达到更好的精度。精度与小型化是量子时间基准两大发展趋势。高精度量子时间基准可用于协调世界时（UTC）的产生，型化高可靠性的量子时间基准可以用作星载钟。总体来说，其相关技术在卫星导航和定位等领域发挥重要作用。

图美国研制的镱原子钟示意图

来源：美国国家标准与技术研究所

3. 量子目标识别

在目标识别领域，雷达至关重要，量子雷达将传统雷达与量子技术相结合，利用电磁波的波粒二象性，通过对电磁场的微观量子态操控实现目标检测和成像，具有提高灵敏度，突破分辨率极限，增强抗干扰能力等优势，按照技术路线，量子雷达分为三类：第一类是干涉式量子雷达，只在发射机采用电磁波探测目标，接收机采用干涉式测量；第二类是量子照明雷达，发射机和接收机都采用量子技术；第三类是接收端量子增强雷达，采用与普通激光雷达完全相同的发射端，而在接收端使用了量子增强技术。

南京航空航天大学雷达成像与中国电科14所共同研制出微波光子雷达实时成像系统，成功突破了微波成像精度差、处理速度慢以及实时性差等难题，实现了对小尺寸目标的实时高分辨成像。总体来说，量子雷达应用较为广泛，国耀量子公司研发的量子测风激光雷达和量子气溶胶激光雷达主要应用于主要应用于航空、军事、风力发电和气象、环保等领域。

图国耀量子雷达产品

来源：国耀量子雷达科技有限公司官网

4. 量子重力测量

地球重力场反映物质分布及其随时间和空间的变化。测量重力场的仪器统称为重力仪，具体可分为相对重力仪和绝对重力仪。量子重力仪是一种典型的绝对重力仪，它摆脱了传统光电仪器的工作机理限制，直接利用物质的量子本质进行精密测量，测量精度也有了大幅提升。量子重力测量研究分为超高精度和小型化两个方向。大型超高精度喷泉式冷原子重力仪有望应用于验证爱因斯坦广义相对论理论、探测引力波、研究暗物质和暗能量等，成为基础科研的有力工具。小型化下抛式冷原子重力仪有望应用于可移动平台，例如航空重力仪、潜艇重力仪甚至卫星重力仪。英国伯明翰大学率先开发了名为Wee_G的量子重力仪样机，并于2018年成功实现了量子重力梯度仪样机Gravity-Imager的测试。

2019年该团队进一步将Wee_G的重力场测量精度提升至10-9mGa数量级。其未来有望被当成一个早期预警系统，用于监测火山喷发前衡量火山的岩浆堆积程度。同时，它还能被用于民用工程以及油气储藏的勘察等。美国的激光干涉引力波观测仪（LIGO）成功测量到在距离地球13亿光年处的两个黑洞合并所发射出的引力波信号。总体来说，随着相关技术的发展，将广泛应用于地球物理、资源勘探、地震研究、重力勘察等领域。

图量子重力仪

来源：英国伯明翰大学

5. 量子磁场测量

微弱磁场测量是研究物质特性、探测未知世界的有效手段。量子磁力仪研究磁场测量的最高精度，是量子精密测量的一个重要应用。量子磁力仪最高磁场测量灵敏度可达fT量级（10-15 特斯拉）。高灵敏度量子磁力仪主要有光泵磁力仪和原子 SERF 磁力仪、相干布居囚禁（CPT）磁力计等。磁场测量技术是研究与磁现象有关物理现象的重要手段，其在人们的生产生活中具有十分重要的意义。

例如，在国防军事应用领域，可靠的磁场信息在反潜战、对舰船导航系统进行磁校正等军事应用方面能够发挥很大作用；在工业应用方面，可以通过磁化金属元件检测元件损伤处的散漏磁力线，判断金属元件的损伤情况；在医学方面，脑磁图仪（MEG）和心磁图仪（MCG）对心脏和脑部的弱磁检测可以快速地对病情和病灶位置进行诊断；以及工程和地质勘探领域，利用磁力仪的弱磁检测在油气和矿产资源勘探、磁考古学、地质调查等方面都有取得很好的成果。总体来说，随着技术的进步，除了上述领域，磁力仪还将太空探测领域发挥更大的作用，为人类更进一步揭开宇宙的面纱。