近期，美國發(fā)布了2024年國家量子計(jì)劃財(cái)政預(yù)算，此次公布的預(yù)算較2019年翻番，并且將支持期限延長至2028財(cái)年，可見美國對量子技術(shù)的重視。 美國國家量子計(jì)劃（NQI）涵蓋量子傳感、量子計(jì)算、量子網(wǎng)絡(luò)等5部分，參與該研發(fā)計(jì)劃的部門包括美國國家科學(xué)基金會(huì)、國防部、能源部等眾多機(jī)構(gòu)，從報(bào)告中看到，美國對量子傳感技術(shù)的預(yù)算撥款與量子計(jì)算相差無幾，意味著美國對量子傳感技術(shù)的看重。眾多部門里，美國國防部對量子傳感技術(shù)的研究興趣最大，并公布了一個(gè)量子傳感器在環(huán)太平洋演示中的實(shí)戰(zhàn)案例。 此前，美國《福布斯》雜志發(fā)表報(bào)告認(rèn)為：新一輪的國際競爭將會(huì)是量子科技之戰(zhàn)。其中提及量子傳感：現(xiàn)在量子傳感方面真正的進(jìn)展不一定是實(shí)驗(yàn)室工作或?qū)W術(shù)工作，而是將其投入實(shí)際使用。《福布斯》認(rèn)為中國量子傳感在這方面可能與美國存在差距。中國應(yīng)警惕傳統(tǒng)傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)化落后的悲劇在量子傳感器中重現(xiàn)！詳情見下文。9.68億美元！財(cái)政支持到2028年！美國發(fā)布量子技術(shù)年度計(jì)劃，對量子傳感技術(shù)高度重視！美國國防部公布量子傳感器在環(huán)太平洋演習(xí)中實(shí)戰(zhàn)案例！ 近期，美國發(fā)布了經(jīng)總統(tǒng)拜登簽署的《國家量子計(jì)劃（NQI）總統(tǒng)2024財(cái)年預(yù)算補(bǔ)編》報(bào)告，這是《國家量子計(jì)劃法案》（NQI Act）要求的第四份NQI計(jì)劃年度報(bào)告，該法案，旨在加速美國在量子信息科學(xué) (QIS) 和技術(shù)方面的領(lǐng)導(dǎo)地位。 美國眾議院認(rèn)為2024 財(cái)年是國家量子計(jì)劃的關(guān)鍵時(shí)刻，在此前通過了《國家量子計(jì)劃重新授權(quán)法案》，這項(xiàng)法案不僅將對國家量子計(jì)劃的財(cái)政支持期限延長至2028財(cái)年，還將重點(diǎn)放在量子技術(shù)在現(xiàn)代場景中的應(yīng)用上；標(biāo)志著美國對這一可能定義未來技術(shù)格局的科學(xué)領(lǐng)域的承諾正在加深。

參與美國國家量子計(jì)劃的機(jī)構(gòu)，包括美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）、國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）、能源部（DOE）、國防部（DOD）、美國國家航空航天局（NASA）、美國國家安全局 （NSA）、情報(bào)高級(jí)研究計(jì)劃局（IARPA）等十多個(gè)美國重要部門。 在2024年美國國家量子計(jì)劃預(yù)算報(bào)告中，預(yù)算為9.68億美元（約合69.46億人民幣），自2019年開始美國對國家量子計(jì)劃的撥款金額分別為4.49億美元、6.72億美元、8.55億美元、10.31億美元和9.32億美元，預(yù)算金額翻倍增長，可見美國對量子技術(shù)持續(xù)重視。

▲美國國家量子計(jì)劃（QIS）研發(fā)支出 美國國家量子計(jì)劃由5大領(lǐng)域組成： 1、量子傳感與計(jì)量（QSENS） ：是指使用量子力學(xué)來增強(qiáng)傳感器和測量科學(xué)。QSENS可以包括疊加和糾纏、非經(jīng)典光態(tài)、新的計(jì)量制度或模式的使用，以及量子控制（例如原子鐘）在準(zhǔn)確性和精度方面的進(jìn)步。2、量子計(jì)算 （QCOMP） ：包括開發(fā)量子比特（量子比特）和糾纏門、量子算法和軟件、使用可編程量子設(shè)備的數(shù)字和模擬量子模擬器、量子計(jì)算機(jī)和原型、混合數(shù)模計(jì)算，以及量子經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)。3、量子網(wǎng)絡(luò) （QNET）：包括創(chuàng)建和使用糾纏量子態(tài)的努力，這些量子態(tài)分布在遠(yuǎn)處并由多方共享，用于新的信息技術(shù)應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué);例如，中等規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)（模塊）聯(lián)網(wǎng)，以增強(qiáng)超經(jīng)典的計(jì)算能力。4、促進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)中的量子技術(shù)應(yīng)用（QADV）：包括調(diào)用量子器件的基礎(chǔ)工作和 QIS 理論，以擴(kuò)展其他學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí);例如，提高對生物學(xué)、化學(xué)、計(jì)算、宇宙學(xué)、能源科學(xué)、工程學(xué)、材料、核物質(zhì)和基礎(chǔ)科學(xué)其他方面的理解。5、量子技術(shù) （QT） 列出了幾個(gè)主題：與最終用戶合作，在該領(lǐng)域部署量子技術(shù)并開發(fā)用例;QIST工程支持技術(shù)的基礎(chǔ)研發(fā)，例如電子、光子學(xué)和低溫學(xué)的基礎(chǔ)設(shè)施和制造技術(shù);以及努力理解和減輕量子技術(shù)（例如后量子密碼學(xué) （PQC））帶來的風(fēng)險(xiǎn)。 從報(bào)告中，可看到量子傳感與計(jì)量學(xué) （QSENS）的資金撥款與量子計(jì)算 （QCOMP）相差無幾，美國政府及研究機(jī)構(gòu)對量子傳感技術(shù)的重視程度不弱于量子計(jì)算，并且領(lǐng)先與量子網(wǎng)絡(luò)。

▲美國國家量子計(jì)劃（QIS）各領(lǐng)域研發(fā)支出 報(bào)告梳理了近年來美美國國家量子計(jì)劃的研發(fā)工作和取得的成就，其中量子量子傳感與計(jì)量（QSENS）方面，部分取得的成果如下：

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美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）：

（2022年10月20日）JILA的NIST研究小組首次演示了一種糾纏物質(zhì)波干涉儀，該干涉儀可以感知加速度，其精度超過標(biāo)準(zhǔn)量子極限。未來的量子傳感器有望提供更精確的導(dǎo)航，改善對基本常數(shù)的測量，使精確的引力測量，以更好地監(jiān)測和理解地球動(dòng)力學(xué)，并為基礎(chǔ)物理學(xué)做出貢獻(xiàn)，例如暗物質(zhì)研究。

（2022年12月9日）在四項(xiàng)獨(dú)立的研究中，NIST研究人員及其同事探索了尋找暗物質(zhì)的新技術(shù)，例如使用超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）的實(shí)驗(yàn)，并提出了捕獲電子和天基原子鐘作為量子傳感器的理論研究。

美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）：

（2022年9月23日）宣布了TAQS量子傳感挑戰(zhàn)（QuSeC-TAQS）計(jì)劃的新征集。該計(jì)劃支持由三名或更多研究人員組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，以探索量子傳感方面高度創(chuàng)新、原創(chuàng)和潛在的變革性研究。2023 年 8 月，NSF 宣布提供 2900 萬美元的 QuSeC 計(jì)劃獎(jiǎng)勵(lì)，以推進(jìn)量子傳感在天文學(xué)、生物學(xué)、大地測量學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)和物理學(xué)等一系列領(lǐng)域的應(yīng)用。

美國能源部（DOE）：

美國能源部SC核心研究項(xiàng)目中的量子傳感工作包括生物傳感器和生物成像儀器和應(yīng)用，下一代探測器和表征工具的創(chuàng)建，增強(qiáng)等離子體和聚變科學(xué)的診斷能力，使用QIS支持的傳感器和實(shí)驗(yàn)來探索新的物理學(xué)和黑暗宇宙，以及使用傳感器，抗輻射量子電路和核科學(xué)的核時(shí)鐘。

量子網(wǎng)絡(luò)研究和量子通信項(xiàng)目側(cè)重于糾纏分布、量子態(tài)隱形傳態(tài)、量子傳感器聯(lián)網(wǎng)以及量子網(wǎng)絡(luò)組件、應(yīng)用和測試平臺(tái)的開發(fā)。

（2022年8月8日）作為 DOE SC SBIR/STTR 計(jì)劃的一部分，DOE ASCR 宣布有興趣接收軟件申請，以促進(jìn)近期量子計(jì)算硬件的使用，DOE BER 宣布有興趣接收量子生物成像和生物能源傳感方法的申請。

（2022年9月19日）美國能源部ASCR宣布提供1500萬美元的獎(jiǎng)勵(lì)，用于基礎(chǔ)研究，以探索科學(xué)計(jì)算和超大規(guī)模科學(xué)中潛在的高影響力方法，其中包括QIS獎(jiǎng)，以解決開發(fā)量子算法的新方法，量子計(jì)算的通用模型，以及量子傳感器數(shù)據(jù)上的量子計(jì)算。

（2023年1月26日）美國能源部NP宣布提供910萬美元的獎(jiǎng)勵(lì)，用于推進(jìn)QIS和核物理的研究，從用量子計(jì)算機(jī)解決核物理問題和開發(fā)量子傳感器，到下一代超導(dǎo)材料和高相干量子比特架構(gòu)的研發(fā)。

值得一提的是，美國國防部尤其重視量子技術(shù)，特別是量子傳感技術(shù)的研發(fā)，美國國防部認(rèn)為：“量子技術(shù)正在接近一個(gè)臨界點(diǎn)，這將決定其產(chǎn)生影響的速度。如果美國能跟上步伐，就能為國防部實(shí)現(xiàn)許多重要成果” 美國國防部提及其在量子傳感器方面的大量研究，這比其他部門要多得多：

量子傳感器將解決在情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）以及精確導(dǎo)航和計(jì)時(shí)（PNT）方面獲得軍事優(yōu)勢和應(yīng)對長期軍事挑戰(zhàn)。開發(fā)量子陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)、重力計(jì)和靜電計(jì)的研發(fā)計(jì)劃包括 OUSD（R&E）/ARL 先進(jìn)量子傳感研究中心、DARPA 用于地球原生地形生物成像的原子磁力計(jì) （AMBIIENT）、原子光子集成 （A-PhI）、新技術(shù)原子蒸氣科學(xué) （SAVaNT）、量子孔徑和矢量電磁輻射量子成像 （QuIVER） 計(jì)劃，陸軍計(jì)量學(xué)項(xiàng)目、ARL的里德堡原子電磁場傳感項(xiàng)目、ARO的量子態(tài)工程增強(qiáng)計(jì)量學(xué)和多量子比特增強(qiáng)傳感和計(jì)量多學(xué)科大學(xué)研究計(jì)劃（MURIs），ONR的慣性和重力傳感器原子干涉測量工作，AFRL戰(zhàn)略原子導(dǎo)航設(shè)備和系統(tǒng)（SANDS）計(jì)劃，以及AFOSR MURI關(guān)于冷分子。

美國國防部還展示了量子傳感器在2022年環(huán)太平洋演習(xí)中實(shí)戰(zhàn)測試的案例，據(jù)介紹，該量子傳感器由賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室和某家企業(yè)共同開發(fā)，將經(jīng)典的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與基于原子干涉儀的加速度計(jì)相結(jié)合——這是一個(gè)量子慣性傳感器，能夠獲得精度極高的重力和慣性測量結(jié)果，用于精確位置導(dǎo)航。 經(jīng)過長達(dá)21天的實(shí)戰(zhàn)測試后，美國國防部認(rèn)為：量子傳感器的魯棒性、長壽命和在相關(guān)動(dòng)態(tài)下的工作顯示出傳感器技術(shù)成熟水平不斷提高的跡象。最終，國防部的目標(biāo)是將量子慣性傳感器集成到可部署的海軍系統(tǒng)中。 可見，美國國防部對量子傳感器的應(yīng)用非常滿意并且充滿期待。

▲美國國防部測試量子慣性傳感器案例 報(bào)告介紹，QIS研發(fā)高度國際化，人才、基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)能力遍布全球。全世界有三十多個(gè)國家為QIS研究提供了大量政府資金，至少有17個(gè)國家制定了國家戰(zhàn)略量子技術(shù)發(fā)展，美國與英國、日本、法國、荷蘭、韓國、瑞士、澳大利亞、丹麥、芬蘭、瑞典等10個(gè)國家簽署量子信息科技研究合作協(xié)議。

《福布斯》：新一輪的國際競爭將會(huì)是量子科技之戰(zhàn)，量子傳感器是目前最接近實(shí)用的量子技術(shù)，中國在產(chǎn)業(yè)化方面或有差距 美國財(cái)經(jīng)商業(yè)媒體《福布斯（Forbes）》此前對量子技術(shù)發(fā)表觀點(diǎn)，認(rèn)為：未來的國際競爭將聚焦于量子技術(shù)領(lǐng)域的科技之戰(zhàn)。美國一直尋找利用量子技術(shù)進(jìn)行戰(zhàn)爭的新方法，無論是開發(fā)更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)、支持GPS、加強(qiáng)通信安全，還是創(chuàng)建能夠更好地探測潛艇和地下掩體的監(jiān)視手段。 美國國防部評(píng)估了一系列量子技術(shù)的成熟度和預(yù)期軍事影響，認(rèn)為，有用的量子計(jì)算機(jī)可能還需要十年甚至更長時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)，但是一些關(guān)于控制單個(gè)原子和光子的基礎(chǔ)研究即將被用于制造更準(zhǔn)確的傳感器，包括追蹤運(yùn)動(dòng)的加速度計(jì)和陀螺儀，以及探測重力和磁場小變化的設(shè)備——或許這也是為什么上文美國國家量子計(jì)劃預(yù)算報(bào)告中，美國國防部對量子傳感器研究興趣這么大。

多家美國私營企業(yè)正在進(jìn)行量子傳感器的商業(yè)化嘗試，這或許走在全球前面。 譬如美國Vector Atomic公司，展示了一種緊湊型量子重力計(jì)，配合標(biāo)準(zhǔn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)使用，能夠讓海軍艦艇在沒有GPS的情況下進(jìn)行導(dǎo)航，在2024或2025年，該公司將推出商業(yè)化的版本，體積縮小到與汽車后備箱一般大小。 美工Infleqtion公司是英國為汽車開發(fā)量子定位系統(tǒng)項(xiàng)目的參與者，該公司正在為該計(jì)劃建造的量子陀螺儀將于2024年進(jìn)行飛行測試。 《福布斯》認(rèn)為，雖然蘇聯(lián)誕生了20世紀(jì)最偉大的理論物理學(xué)家，但沒有多少跡象表明俄羅斯今天正在發(fā)展重要的量子技術(shù)。中國在量子技術(shù)方面的工作集中在大型國家實(shí)驗(yàn)室，這可能使其在商業(yè)化量子傳感器方面與擁有眾多私營公司的美國相比處于劣勢，“現(xiàn)在量子傳感方面真正的進(jìn)展不一定是實(shí)驗(yàn)室工作或?qū)W術(shù)工作，而是將其投入實(shí)際使用。我不清楚他們是否有私營部門來做這種瑣碎的工作。” 2022年量子傳感器已進(jìn)入商品化階段，多家傳感器巨頭已投入巨資研發(fā)量子傳感器，譬如世界上最大的MEMS傳感器企業(yè)博世，就已在2022年成立量子傳感器業(yè)務(wù)部門，目的就是為了把量子傳感器商業(yè)化。

根據(jù)博世官網(wǎng)的描述，這一業(yè)務(wù)部門的首款量子傳感器是個(gè)“量子陀螺儀”。其作用與MEMS陀螺儀類似，都是感知位置的變化，但是精度卻能提升高達(dá)100倍！

歐洲、日本、德國、中國……多國將量子傳感器列為國家戰(zhàn)略 目前，全球主要國家已將量子傳感器列為國家科技發(fā)展戰(zhàn)略。 2021年，歐洲核子研究中心（CERN）發(fā)布《量子技術(shù)戰(zhàn)略和路線圖》，探討量子技術(shù)如何在量子計(jì)算、量子傳感器等領(lǐng)域發(fā)揮作用。 2020年5月，歐盟“量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”發(fā)布《戰(zhàn)略研究議程》報(bào)告，針對自身長達(dá)十年的生命周期設(shè)置了三個(gè)階段性目標(biāo)。其中量子傳感與測量的三個(gè)階段：

①3年內(nèi)開發(fā)出采用單量子比特相干且分辨率和穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)對手的量子傳感器、成像系統(tǒng)與量子標(biāo)準(zhǔn)，并在實(shí)驗(yàn)室中演示；

②6年內(nèi)開發(fā)出集成量子傳感器、成像系統(tǒng)與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)原型，并將首批商業(yè)化產(chǎn)品推向市場，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室中演示用于傳感的糾纏增強(qiáng)技術(shù)；

③10年內(nèi)從原型機(jī)過渡至商業(yè)設(shè)備。

▲《量子技術(shù)戰(zhàn)略和路線圖》主要發(fā)展目標(biāo) 日本是全球傳感器大國，早在2018年發(fā)布量子飛躍旗艦計(jì)劃（Q-LEAP），其中，量子測量和傳感器是三大量子技術(shù)領(lǐng)域之一，發(fā)展目標(biāo)是：面向未來傳感器市場小型化、廉價(jià)化的要求，研發(fā)先進(jìn)的固體量子傳感器和量子傳感器技術(shù)，廣泛應(yīng)用于磁場、電場、溫度、光等的測量活動(dòng)。

開發(fā)高感知度和分解能力的腦磁測量系統(tǒng)原型機(jī)，能對蓄電池、功率電子學(xué)裝置、能源裝置的電流和溫度進(jìn)行控制的原型機(jī)。研發(fā)具有高密度、高配向率自旋的金剛石傳感器，研發(fā)量子自旋控制技術(shù)等。并對量子測量和傳感器的基礎(chǔ)技術(shù)；固體量子傳感器、量子機(jī)械傳感器等的基礎(chǔ)技術(shù)；新型量子控制和測量的基礎(chǔ)技術(shù)等進(jìn)行研究。 據(jù)日媒報(bào)道，在2023年11月，日本東京工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)成功開發(fā)出了世界上首個(gè)用于電動(dòng)汽車電池的鉆石（金剛石）量子傳感器，能夠?qū)㈦妱?dòng)汽車的續(xù)航里程增加約10%。

▲來源：日經(jīng)中文網(wǎng) 德國與日本、美國并稱三大傳感器強(qiáng)國，2018年德國推出《量子技術(shù)：從基礎(chǔ)到市場》聯(lián)邦政府框架計(jì)劃，在4年內(nèi)（2018—2022年）斥資6.5億歐元，對量子計(jì)算、量子衛(wèi)星以及量子測量技術(shù)等提供支持。 2021年，德國量子系統(tǒng)專家委員會(huì)向德國聯(lián)邦教育與研究部提交《量子系統(tǒng)議程2030》，確定了德國未來發(fā)展量子技術(shù)的優(yōu)先研究領(lǐng)域和主要挑戰(zhàn)。《議程》確定了5大重點(diǎn)主題，分別為量子計(jì)算和量子仿真，量子通信，量子測量和傳感器系統(tǒng)等。 量子傳感方面，德國提出研發(fā)一系列基礎(chǔ)技術(shù)，包括：量子傳感器的小型化和節(jié)能解決方案、基于糾纏的傳感器網(wǎng)絡(luò)、模塊化的量子傳感器控制軟硬件、固態(tài)傳感器、基于氣室的傳感器、量子增強(qiáng)成像、量子光刻、量子重力儀等。此外，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界相關(guān)主體的緊密合作也至關(guān)重要，這包括降低相關(guān)主體使用大型基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行量子技術(shù)研發(fā)的門檻、共同制定量子測量和傳感器領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)、培訓(xùn)相關(guān)專業(yè)人才等。

中國持續(xù)跟蹤量子技術(shù)的前沿研究，在量子計(jì)算、量子通信方面已處于全球領(lǐng)先水平，量子傳感器技術(shù)同樣不落后。 2022年，國務(wù)院發(fā)布《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，提出“重點(diǎn)開展量子精密測量和傳感器件制備集成技術(shù)、量子傳感測量技術(shù)研究”，多次提到量子傳感技術(shù)的研究重要性。 但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，私營企業(yè)進(jìn)行研發(fā)的較少。

▲《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》部分內(nèi)容 結(jié)語：警惕悲劇重現(xiàn)！ 量子技術(shù)作為最具顛覆性的前沿技術(shù)，全球大國爭先進(jìn)行研究，而其中，量子傳感技術(shù)是有望最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的量子技術(shù)。 2024年，美國持續(xù)重金投資量子技術(shù)，并將撥款年度至少延續(xù)到2028財(cái)年，其中，美國政府對量子傳感技術(shù)的撥款和研發(fā)，與量子計(jì)算同等重視，并領(lǐng)先于量子通信。 與傳統(tǒng)傳感器領(lǐng)域一樣，量子傳感器的關(guān)鍵在于產(chǎn)業(yè)化，而中國量子傳感器產(chǎn)業(yè)化仍需努力，警惕傳統(tǒng)傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的落后悲劇在量子傳感器中重現(xiàn)！ 審核編輯 黃宇