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今年8月，美國波音公司完成全球首個(gè)“多量子傳感器”飛行測(cè)試，使飛機(jī)能夠在不使用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航的情況下完成飛行。這使基于量子傳感技術(shù)的量子導(dǎo)航進(jìn)入大眾視野。

【資料圖】

業(yè)界人士指出，量子傳感技術(shù)正以其在提升精確度和可靠性方面的優(yōu)勢(shì)，迅速成為全球科技創(chuàng)新的前沿領(lǐng)域，在精密導(dǎo)航、工業(yè)測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域帶來革命性變化，成為各國投入研究和開發(fā)應(yīng)用的重點(diǎn)。

那么，什么是量子傳感技術(shù)，它的原理是什么?其發(fā)展和應(yīng)用前景又如何?

無需衛(wèi)星也能導(dǎo)航

量子技術(shù)的應(yīng)用除了人們熟悉的量子計(jì)算、量子通信以外，還有量子傳感——利用量子系統(tǒng)、量子特性或量子現(xiàn)象來測(cè)量物理量。用于定位、導(dǎo)航和定時(shí)的磁場(chǎng)或重力場(chǎng)測(cè)量就是量子傳感技術(shù)的應(yīng)用例子。

對(duì)于利用量子傳感進(jìn)行測(cè)量和導(dǎo)航的原理，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院教授孫方穩(wěn)說：“電場(chǎng)、磁場(chǎng)力等外界環(huán)境都會(huì)改變量子態(tài)，我們對(duì)改變后的量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量就可以反推出長度、質(zhì)量和時(shí)間等物理量。量子導(dǎo)航就是用一些特有的地圖配合特定的傳感器來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航應(yīng)用。各地的磁場(chǎng)、重力加速度都不一樣，理論上我們可以繪制磁場(chǎng)地圖、重力加速度地圖，用不同的量子傳感器來測(cè)量，就可以實(shí)現(xiàn)量子導(dǎo)航。”

在波音“多量子傳感器”飛行測(cè)試中，量子磁力儀由“沙箱”人工智能和量子技術(shù)公司(簡(jiǎn)稱“沙箱”公司)開發(fā)。該公司宣布將進(jìn)一步開發(fā)其AQNav磁導(dǎo)航系統(tǒng)。“沙箱”公司董事長、谷歌公司前首席執(zhí)行官埃里克·施密特介紹說，該系統(tǒng)依賴敏感的量子磁力儀，從地磁場(chǎng)中收集數(shù)據(jù)。地磁場(chǎng)表現(xiàn)出地理上獨(dú)特的模式，類似于人類的指紋。該系統(tǒng)再使用人工智能算法將地殼模式與已知的磁場(chǎng)地圖進(jìn)行比較，從而準(zhǔn)確快速地確定平臺(tái)位置。

大國科技戰(zhàn)略重點(diǎn)

新一輪國際競(jìng)爭(zhēng)中，量子傳感技術(shù)的重要性不言而喻，美、英、法、德及日本都已將其列入國家戰(zhàn)略。量子傳感技術(shù)與國防和安全利益高度相關(guān)，這一領(lǐng)域的研發(fā)可以看到歐美國防、航天等機(jī)構(gòu)深度介入。與此同時(shí)，多家私營企業(yè)正在進(jìn)行量子傳感技術(shù)的商業(yè)化并取得成果。

今年5月，英國科學(xué)、創(chuàng)新和技術(shù)部宣布，由量子技術(shù)企業(yè)Infleqtion、QinetiQ研究實(shí)驗(yàn)室和防務(wù)巨頭貝宜系統(tǒng)公司組成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，已在飛機(jī)上成功演示了基于量子的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。這是全球首次公開展示此類技術(shù)的飛行演示，標(biāo)志著量子導(dǎo)航技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用邁出了重要一步。

這一測(cè)試是英國國家量子戰(zhàn)略“任務(wù)4”的一部分，該戰(zhàn)略的目標(biāo)是到2030年在飛機(jī)上部署量子導(dǎo)航系統(tǒng)。2023年，英國海軍已成功進(jìn)行了一次量子導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試，該系統(tǒng)使一艘船能夠在沒有GPS的情況下知道其在世界任何地方的精確位置。

業(yè)界人士表示，在量子技術(shù)的各種應(yīng)用中，量子傳感器目前最接近實(shí)用，也是大國競(jìng)相研究的目標(biāo)，這給中國在量子傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)化研發(fā)帶來啟迪與思考。

中國展現(xiàn)發(fā)展?jié)摿?/p>

在全球技術(shù)競(jìng)賽中，中國展現(xiàn)出強(qiáng)勁的創(chuàng)新能力和發(fā)展?jié)摿Α＝陙?，中國在量子傳感的精度和?yīng)用廣度上取得了顯著進(jìn)展：已實(shí)現(xiàn)高精度原子鐘的自主研發(fā)，成為世界上少數(shù)可以自行研發(fā)并制造原子鐘的國家;自主研發(fā)的原子重力儀主要性能參數(shù)國際領(lǐng)先;還完成了量子雷達(dá)的原型機(jī)研發(fā)。

國務(wù)院此前發(fā)布《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》提出，“重點(diǎn)開展量子精密測(cè)量和傳感器件制備集成技術(shù)、量子傳感測(cè)量技術(shù)研究”，并多次提到量子傳感技術(shù)的研究重要性。目前，中國量子傳感器研發(fā)主要集中于大型國家機(jī)構(gòu)、高校等。

在談到如何通過產(chǎn)學(xué)研一體化加速量子傳感落地應(yīng)用時(shí)，孫方穩(wěn)說：“量子傳感從實(shí)驗(yàn)室階段到應(yīng)用環(huán)節(jié)再到產(chǎn)業(yè)化是有一段路要走的，各個(gè)環(huán)節(jié)都要發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，同時(shí)相互配合協(xié)同發(fā)力。頭部科研院所應(yīng)更加聚焦基礎(chǔ)研究，這個(gè)環(huán)節(jié)上必須自力更生，沒有捷徑可走;行業(yè)學(xué)會(huì)、工科院校可以密切關(guān)注基礎(chǔ)研究成果如何與行業(yè)、教學(xué)實(shí)際相結(jié)合，主動(dòng)向頭部單位提出合作需求，從而真正提高從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用落地的速度;最后是產(chǎn)業(yè)端要加大力度將可實(shí)現(xiàn)落地的應(yīng)用加速產(chǎn)品化，加快推向市場(chǎng)。”

安徽省國盛量子科技有限公司董事長趙博文認(rèn)為，量子傳感技術(shù)有廣泛發(fā)展空間。在落地方面，首先應(yīng)該是進(jìn)一步推動(dòng)量子傳感產(chǎn)品向小型化、集成化發(fā)展，讓量子傳感技術(shù)能應(yīng)用到更多的場(chǎng)景中;其次可以按照行業(yè)的具體需求，專注于生產(chǎn)專業(yè)性的量子傳感產(chǎn)品;最后隨著國內(nèi)工業(yè)水平精度的不斷提高，要做好產(chǎn)品迭代，適應(yīng)并服務(wù)于新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展。