“遇事不決，量子力學(xué)?！边@句謔語(yǔ)的背后,，隱喻著量子力學(xué)這一前沿科技在公眾面前的深?yuàn)W與神秘。然而,，盡管看似遙不可及，量子科技——尤其是量子信息產(chǎn)業(yè)化的步伐已然開(kāi)啟，并逐漸形成了量子精密測(cè)量（量子傳感）,、量子保密通信、量子計(jì)算三大賽道,，其間也難免滋生出一些“魚(yú)目混珠”的亂象,。

  為還原量子科技產(chǎn)業(yè)化真相，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》通過(guò)走訪科學(xué)家,、創(chuàng)業(yè)者和投資方,，推出系列報(bào)道，深入探究上述三大賽道的技術(shù)現(xiàn)狀、產(chǎn)業(yè)前景等,。

  2016年12月底創(chuàng)立,，5年時(shí)間融資5輪，最近一輪（C輪）融資數(shù)億元人民幣,，估值達(dá)70億元,，這家公司就是國(guó)儀量子——孵化自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子精密測(cè)量?jī)x器產(chǎn)業(yè)初創(chuàng)公司。

  訊飛創(chuàng)投投資總監(jiān)孫嘯天憶起對(duì)國(guó)儀量子的投資,，至今猶記當(dāng)年的興奮,。2018年3月，該投資團(tuán)隊(duì)到國(guó)儀量子溝通參與A輪融資,，4月底就完成了投資決策：作為A輪領(lǐng)投方,，訊飛創(chuàng)投給這個(gè)當(dāng)時(shí)創(chuàng)立僅1年多的團(tuán)隊(duì)投出4000萬(wàn)元。

  這些數(shù)字的背后,，是量子精密測(cè)量技術(shù)落地應(yīng)用所帶來(lái)的無(wú)限魅力,。

  “說(shuō)它是‘備胎’，是因?yàn)槠涓鞣矫嫘阅芘c磷酸鐵鋰非常接近,，除非后者的供應(yīng)鏈遇到困難,，從經(jīng)濟(jì)或性能上有必要啟用鈉離子電池?！蓖醭?yáng)說(shuō),。

  中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高也曾明確表示“鋰電池還會(huì)用很久”。目前鈉離子電池各方面性能還不能滿足高性能汽車(chē)使用要求,，預(yù)計(jì)到2035年鈉,、鉀離子電池性能大幅提升、比能量達(dá)到300瓦時(shí)/千克左右時(shí),，才會(huì)大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng),。

  面對(duì)被稱為“備胎”的鈉離子電池，中國(guó)還能抓住哪些機(jī)會(huì),？

打開(kāi)微觀世界的一把鑰匙

  賀羽,，年輕的“90后”創(chuàng)業(yè)者，曾就讀于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班,。2016年從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士團(tuán)隊(duì)出來(lái)創(chuàng)辦國(guó)儀量子時(shí),，已經(jīng)是他第三次投身創(chuàng)業(yè)，“該掉的坑都掉過(guò)了,，在國(guó)儀量子倒不覺(jué)得有什么不順”,。

  “量子傳感器是人類(lèi)能研制的最‘小’的傳感器,?！辟R羽向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，“最小意味著它能測(cè)量一些我們用現(xiàn)代儀器測(cè)不到的信號(hào)，比如微弱的磁場(chǎng),、神經(jīng)元放電,、血液中的分子標(biāo)識(shí)物等等，它是打開(kāi)微觀世界的一把鑰匙,?！?/span>

  物質(zhì)的電磁場(chǎng)、溫度,、壓力等與量子體系發(fā)生相互作用后會(huì)改變其量子狀態(tài),，而通過(guò)對(duì)這些變化后的量子態(tài)的檢測(cè)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)環(huán)境參數(shù)的高靈敏度測(cè)量,。量子精密測(cè)量就是基于量子力學(xué)基本特性——如量子相干,、量子糾纏、量子統(tǒng)計(jì)等,，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量測(cè)量的一項(xiàng)技術(shù),。如今量子態(tài)操控技術(shù)已趨成熟，量子精密測(cè)量的精度也大幅提高,。

  簡(jiǎn)單的理解就是,，由電子、光子,、聲子等構(gòu)筑的量子體系就像是一把高靈敏度的尺子,，借助它就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)諸如壓力、溫度,、磁場(chǎng)乃至?xí)r間等各物理量更精密的測(cè)量,，因此又稱“量子傳感”。

  不僅如此,，量子糾纏還可以進(jìn)一步提高測(cè)量靈敏度,。

  假設(shè)讓N個(gè)“量子尺子”的量子態(tài)處于一種糾纏態(tài)上，外界環(huán)境對(duì)這N把量子尺的作用就會(huì)相干疊加,，那么最終的測(cè)量精度相對(duì)單量子尺將提高N倍,。這樣的精度突破了經(jīng)典力學(xué)的散粒噪聲極限，并提高了倍數(shù),，是量子力學(xué)理論范疇內(nèi)所能達(dá)到的最高精度——海森堡極限,。

還只是冰山一角

  盡管訂單數(shù)量節(jié)節(jié)攀升，但賀羽也坦承,，國(guó)儀量子所撬開(kāi)的量子傳感儀器市場(chǎng)還只是冰山一角,。

  “一方面，量子精密測(cè)量技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器是降維打擊,，存量市場(chǎng)潛力很大,；另一方面,，量子測(cè)量還有許多待發(fā)掘的市場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，新需求會(huì)不斷誕生,?！辟R羽說(shuō)，他們現(xiàn)在每年要拿出營(yíng)收費(fèi)用的40%左右用于研發(fā)投入,，除技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)外,，還開(kāi)展場(chǎng)景創(chuàng)新研發(fā)，一些新應(yīng)用場(chǎng)景的儀器也在做預(yù)研或規(guī)劃,。

  國(guó)儀量子并非量子精密測(cè)量技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的獨(dú)行者,。放眼全球，瑞士量子傳感解決方案開(kāi)發(fā)商Qnami就是一家與國(guó)儀量子旗鼓相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)對(duì)手,。后者專(zhuān)注于量子顯微鏡系統(tǒng)市場(chǎng),，并已有多款產(chǎn)品在材料研究領(lǐng)域推出。

  此外,，一些傳統(tǒng)儀器儀表巨頭也在相關(guān)細(xì)分領(lǐng)域開(kāi)始采用量子精密測(cè)量技術(shù),，并開(kāi)展相應(yīng)產(chǎn)品的研制或指定產(chǎn)品的研發(fā)計(jì)劃。

  如美國(guó)傳統(tǒng)制造商洛克希德·馬丁公司就有專(zhuān)門(mén)的研究小組,，探索研制和使用量子傳感器解決全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的信號(hào)干擾問(wèn)題,；德國(guó)工業(yè)巨頭博世集團(tuán)目前正著手探索量子精密測(cè)量技術(shù)在汽車(chē)傳感上的應(yīng)用——2月18日，博世集團(tuán)剛剛通過(guò)其官方發(fā)布渠道宣布成立全新初創(chuàng)團(tuán)隊(duì),，旨在將量子傳感器商品化,。

  環(huán)顧國(guó)內(nèi)，類(lèi)似國(guó)儀量子這樣的初創(chuàng)企業(yè)并不多,，但我國(guó)已有或已開(kāi)展量子精密測(cè)量技術(shù)開(kāi)發(fā)的研究團(tuán)隊(duì)也不在少數(shù),。

  比如，2021年3月,，位于浙江的之江實(shí)驗(yàn)室就曾宣布,，其于2019年7月正式立項(xiàng)的量子精密測(cè)量大科學(xué)裝置完成了“里程碑節(jié)點(diǎn)成果驗(yàn)收”。公開(kāi)信息顯示,，該裝置基于光動(dòng)量效應(yīng),，探索集中在高精度力學(xué)量的量子傳感技術(shù)方向，上述成果的取得“為力學(xué)量量子傳感技術(shù)發(fā)展奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)”,。

  再如,，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授盧征天團(tuán)隊(duì)，曾提出原子阱痕量分析方法,、自主研發(fā)基于激光冷原子阱技術(shù)痕量同位素分析實(shí)驗(yàn)裝置,，并將其創(chuàng)造性地應(yīng)用于環(huán)境樣品中稀有同位素的探測(cè)，進(jìn)而用于為古地下水與冰川定年,。

  “我們只是眾多量子精密測(cè)量技術(shù)應(yīng)用中的一個(gè)例子,，它的空間是很廣闊的,，技術(shù)應(yīng)用也日新月異?！北R征天在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō),，量子精密測(cè)量常應(yīng)用于時(shí)間,、質(zhì)量,、溫度等物理量的測(cè)量，原子鐘就是一個(gè)“明亮的例子”,，借助量子技術(shù),，原子鐘的計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度達(dá)到了理論最高水平。

  盧征天提到的這一技術(shù)在市場(chǎng)上亦有應(yīng)用落地,。記者查詢公開(kāi)信息獲悉,，我國(guó)原子鐘、時(shí)間同步設(shè)備和系統(tǒng)主要供應(yīng)商“天奧電子”就主營(yíng)時(shí)間頻率產(chǎn)品等的研發(fā)設(shè)計(jì),、生產(chǎn)銷(xiāo)售,，其營(yíng)收中有近57%來(lái)自頻率系列產(chǎn)品、42%來(lái)自時(shí)間同步系列產(chǎn)品,。值得一提的是,，作為“量子科技概念股”，天奧電子自2018年9月3日在A股上市以來(lái),，股票漲幅達(dá)274%,。

乘“東風(fēng)”，工程隊(duì)伍是關(guān)鍵

  量子精密測(cè)量的政策“東風(fēng)”,，也吹得正勁,。

  1月28日，國(guó)務(wù)院發(fā)布《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》(下文稱《規(guī)劃》),，提出在2035年建成以量子計(jì)量為核心,、科技水平一流、符合時(shí)代發(fā)展需求和國(guó)際化發(fā)展潮流的國(guó)家現(xiàn)代先進(jìn)測(cè)量體系,。

  《規(guī)劃》重點(diǎn)介紹了對(duì)于計(jì)量基礎(chǔ)研究,、計(jì)量應(yīng)用、計(jì)量能力建設(shè)與計(jì)量監(jiān)督管理的整體要求,。在專(zhuān)欄2“計(jì)量基礎(chǔ)理論與核心技術(shù)研究”中,，《規(guī)劃》提出，要“重點(diǎn)開(kāi)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”,。

  從《規(guī)劃》的措辭和篇幅設(shè)置中可以看出，量子精密測(cè)量技術(shù)和高端儀器國(guó)產(chǎn)化在其中扮演著重要角色,。

  作為以量子精密測(cè)量為核心技術(shù),、高端科學(xué)儀器為主營(yíng)產(chǎn)品的高新技術(shù)企業(yè),，國(guó)儀量子表態(tài)要抓住國(guó)家戰(zhàn)略機(jī)遇，“將面向世界科技前沿和國(guó)家重大需求,，加大關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)力度,，為提高國(guó)家科技創(chuàng)新能力、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)力量”

“換道超車(chē)”的機(jī)會(huì)

  基于量子精密測(cè)量技術(shù)研制的儀器,，相比一些傳統(tǒng)科學(xué)儀器是“降維打擊”,，因?yàn)榭茖W(xué)儀器天然追求更高靈敏度和更高精度。這在賀羽看來(lái),，給了國(guó)產(chǎn)科學(xué)儀器研制“換道超車(chē)”的機(jī)會(huì),。

  高端科學(xué)儀器是科學(xué)研究、工程探測(cè),、醫(yī)療診斷等不可或缺的重要工具,，但由于精密儀器技術(shù)要求高、制造難度大,，全球范圍內(nèi)只有來(lái)自發(fā)達(dá)國(guó)家的儀器巨頭如賽默飛世爾,、島津、羅氏診斷,、布魯克等具有完善的供貨能力,，處于壟斷地位。

  而高端儀器長(zhǎng)期以來(lái)依賴進(jìn)口,，讓包括中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家不得不付出高價(jià)的同時(shí)還要仰人鼻息,，可謂“天下苦壟斷廠商久矣”。

  量子精密測(cè)量技術(shù)在科學(xué)儀器方面的落地應(yīng)用,，正在改變這一尷尬現(xiàn)狀,。“我們研制的不少儀器一經(jīng)推出就是‘世界首臺(tái)’,，不僅樹(shù)立了國(guó)儀量子的品牌,，也奠定了國(guó)產(chǎn)高端儀器打破國(guó)外科學(xué)儀器巨頭壟斷的基礎(chǔ)?！辟R羽說(shuō),。

  賀羽形容量子精密測(cè)量?jī)x器是一個(gè)“鼎新帶動(dòng)革故”的創(chuàng)業(yè)賽道。他介紹,，基于量子精密測(cè)量技術(shù),，國(guó)儀量子瞄準(zhǔn)高端儀器市場(chǎng)缺口，錨定人有我優(yōu),、人無(wú)我有的“為國(guó)造儀”理念,，展現(xiàn)了新技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力。

  2018年10月,，國(guó)儀量子發(fā)布的國(guó)內(nèi)首臺(tái)脈沖式電子順磁共振波譜儀,，自主創(chuàng)新多項(xiàng)核心技術(shù),，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，突破國(guó)際禁運(yùn),，并在關(guān)鍵性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)超越,；2019年11月，國(guó)儀量子發(fā)布世界首臺(tái)量子鉆石原子力顯微鏡,，能“看到”納米級(jí)的微小結(jié)構(gòu),，在量子科學(xué)、化學(xué)與材料科學(xué)及生物和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景,。

  目前,，國(guó)儀量子已經(jīng)具備多款量子傳感器從研發(fā)到生產(chǎn)的核心能力,，一些儀器設(shè)備甚至開(kāi)始銷(xiāo)往美國(guó),、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家，銷(xiāo)售額逐年翻番,。賀羽透露,，2021年國(guó)儀量子訂單總金額輕松跨過(guò)2億元關(guān)口，2022年有望突破4億元,。

相關(guān)鏈接

量子傳感器的工作原理

  一些量子傳感器使用原子感知變化,，這是因?yàn)樵涌梢员痪_地控制和測(cè)量。在量子理論中,，諸如原子一類(lèi)的粒子的波狀運(yùn)動(dòng)特性,，使得其可以進(jìn)行空間擴(kuò)展。而量子在疊加狀態(tài)下會(huì)表現(xiàn)的對(duì)周?chē)h(huán)境十分敏感,，這一特征是其被用作精密傳感器的關(guān)鍵,。

  例如，在原子干涉儀中,，原子被聚集為細(xì)小的云狀物體,。精準(zhǔn)地激光脈沖控制這些云狀物體的移動(dòng)。原子的波狀特性使其相互進(jìn)行干擾,，猶如水面波紋的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),，如果這些原子的運(yùn)動(dòng)只受重力影響的話，那么它對(duì)重力的感知就會(huì)非常精確,。

  大多數(shù)磁場(chǎng)傳感器使用的都是嵌入在諸如金剛石和或硅材料中的原子,。而光子傳感器因?yàn)槔霉庾樱士梢詸z測(cè)分子的光學(xué)性質(zhì)以及測(cè)量微弱的化學(xué)痕跡,。我們還可以使用量子技術(shù)來(lái)提高一些如MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）經(jīng)典設(shè)備的讀出效率,。

  目前，我們已經(jīng)可以利用量子傳感器來(lái)測(cè)量加速度,、重力,、時(shí)間,、壓力、溫度和磁場(chǎng)等精確性參數(shù),。而在未來(lái),，基于量子糾纏現(xiàn)象所開(kāi)出來(lái)的傳感器在有效性上可以做到更進(jìn)一步。綜合

延伸閱讀

量子密鑰分發(fā)的新紀(jì)錄 

讓城市間量子通信網(wǎng)絡(luò)又近一步

  近日,，知名學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》在線發(fā)表了來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱中科大）的一項(xiàng)研究成果,。中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的韓正甫教授及其合作者，近期實(shí)現(xiàn)了833公里光纖量子密鑰分發(fā),，將量子密鑰分發(fā)安全傳輸距離世界紀(jì)錄提升了200余公里,，向?qū)崿F(xiàn)千公里陸基量子保密通信邁出重要一步。

　　信噪比和衰減決定傳輸距離

　　“光量子密鑰分發(fā)直接傳輸?shù)陌踩嚯x逐步逼近1000公里級(jí),，為未來(lái)廣域量子通信網(wǎng)奠定了很好的基礎(chǔ),。”韓正甫向記者解釋?zhuān)瑢?lái)構(gòu)建的廣域量子通信網(wǎng),，能夠分布在多個(gè)城市,，并且擁有城際骨干線路和具有城域子網(wǎng)?！皳碛羞@樣的分層結(jié)構(gòu)的量子通信網(wǎng)絡(luò),，可為較多用戶提供服務(wù)?！?/span>

　　韓正甫告訴記者,，影響量子密鑰分發(fā)傳輸距離的首要因素是信噪比。噪聲包括信道擾動(dòng),、探測(cè)器暗計(jì)數(shù)等,。原則上只要充分抑制噪聲就可以提升傳輸距離?！暗且膊皇钦f(shuō)噪聲為零,，就可以傳輸無(wú)限遠(yuǎn)?！表n正甫進(jìn)一步解釋道,，這是因?yàn)榫€路除了噪聲還存在衰減，衰減會(huì)使得密鑰生成率降低,，密鑰率太低則無(wú)法滿足任何實(shí)際應(yīng)用需要,，即使沒(méi)有噪聲，也失去了應(yīng)用價(jià)值,。因此決定傳輸距離的主要因素是信噪比和衰減,。

　　突破雙場(chǎng)協(xié)議理論

　　2018年，英國(guó)科學(xué)家提出的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議突破了原有的理論極限，而且其對(duì)理論的完善和對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的開(kāi)拓極具挑戰(zhàn)性,。

　　“以前的協(xié)議一般是單光子協(xié)議,，雖然也需要用到相干態(tài)，但是相干態(tài)是本地制備的,，通過(guò)不等臂干涉,，相位補(bǔ)償也比較容易?！表n正甫說(shuō),，雙場(chǎng)協(xié)議不同于之前的協(xié)議，該協(xié)議主要基于可干涉的遠(yuǎn)程異地制備的相干態(tài),，這就對(duì)光源提出了非?？量痰囊蟆２粌H光源,，雙場(chǎng)協(xié)議還要求一對(duì)相干態(tài)經(jīng)過(guò)不同的,、遠(yuǎn)程信道傳輸后還可以實(shí)現(xiàn)接近完美的干涉，這意味著信道相位補(bǔ)償也很有挑戰(zhàn)性,。

　　“總的來(lái)說(shuō),，雙場(chǎng)協(xié)議對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)提出了很高的要求,。在理論上,，這個(gè)協(xié)議的安全性不是基于單光子描述的，因此較為復(fù)雜,，所以理論上怎么證明安全性,，怎么分析各種非完美特性也是必須要解決的問(wèn)題?！表n正甫說(shuō),。

　　郭光燦、韓正甫研究組在2019年首先提出了免相位后選擇的雙場(chǎng)類(lèi)協(xié)議,，并首次在300公里光纖信道中驗(yàn)證了此類(lèi)協(xié)議的可行性,。

　　創(chuàng)立四相位調(diào)制雙場(chǎng)協(xié)議新理論

　　“2018年，我們團(tuán)隊(duì)首次在理論上證明,，雙場(chǎng)協(xié)議的編碼模式,，可以不做相位隨機(jī)化，也就不用相位后選擇,，這樣密鑰率可以顯著提高,，實(shí)驗(yàn)也實(shí)現(xiàn)大幅度簡(jiǎn)化?！表n正甫告訴記者,，他們的這個(gè)理論創(chuàng)新，當(dāng)時(shí)令很多同行感到意外,。因?yàn)橹皩W(xué)術(shù)界認(rèn)為,，全局隨機(jī)化是安全性的必要保障,。

　　免相位后選擇協(xié)議的簡(jiǎn)潔性和高密鑰率的優(yōu)勢(shì)，使得該協(xié)議成為量子通信領(lǐng)域競(jìng)相討論的熱點(diǎn)之一,?！爱?dāng)然我們也注意到，我們的免相位后選擇協(xié)議由于編碼時(shí)完全丟棄了相位隨機(jī)化,，極限安全距離有些降低,。后來(lái)我們想到，或許可以在編碼時(shí)適當(dāng)增加幾個(gè)相位,，這樣可以進(jìn)一步混淆竊聽(tīng)者的信息,，從而延長(zhǎng)安全距離?！表n正甫表示,，他們?cè)O(shè)計(jì)出的四相位調(diào)制的雙場(chǎng)協(xié)議，結(jié)合了免相位后選擇協(xié)議和后選擇協(xié)議的一些特點(diǎn),，在極限情況下有特別的優(yōu)勢(shì),。

　　經(jīng)過(guò)2年多的探索，郭光燦,、韓正甫團(tuán)隊(duì)提出了改進(jìn)的四相位調(diào)制雙場(chǎng)協(xié)議,，并進(jìn)一步提升了獨(dú)立光源的鎖相穩(wěn)頻技術(shù)、高帶寬信道相位補(bǔ)償技術(shù),、高信噪比的單光子探測(cè)信號(hào)甄別技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),，將光纖雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)的安全傳輸距離延長(zhǎng)至833公里。

　　大膽而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚搫?chuàng)新,，為中國(guó)量子通信在競(jìng)爭(zhēng)激烈的國(guó)際賽道上又一次贏得優(yōu)勢(shì),。韓正甫團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)成果不僅將光纖量子密鑰分發(fā)距離從500多公里大幅提升至833公里，而且將安全碼率提升了50—1000倍,，在實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)陸基廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的道路上邁出重要一步,。

　　“創(chuàng)新沒(méi)有止境，未來(lái)量子密鑰分發(fā)的極限傳輸距離還很難預(yù)測(cè),。但是基于目前的發(fā)展趨勢(shì),，達(dá)到1000公里左右應(yīng)該是把握較大的?！表n正甫告訴記者,，基于雙場(chǎng)類(lèi)的協(xié)議，千公里的量子密鑰分發(fā)（QKD）骨干線路可能實(shí)現(xiàn),。對(duì)于幅員遼闊的中國(guó)來(lái)說(shuō),，實(shí)現(xiàn)大范圍國(guó)家中心城市之間的量子通信網(wǎng)絡(luò)有很大價(jià)值。