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量子测量技术与产业发展及其在通信网中的应用展望
The following article is from 信息通信技术与政策 Author 张萌
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来源：信息通信技术与政策
作者：张萌
张 萌：中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师，主要从事量子信息领域的政策、产业、标准和前沿技术研究，以及分组传送、时频同步领域的技术研究、测试认证等相关工作。
摘要：量子测量技术近年来备受关注。对量子测量技术的特征、分类及研究进展进行了介绍，分析了国内外量子测量产业发展和市场趋势，最后对量子测量技术在通信网中的应用给予了展望，并给出发展建议。
关键词：量子测量；量子时钟同步；通信网络
精密测量技术作为信息获取的主要途径，在信息产业中起着至关重要的作用。随着远程医疗、工业互联网、物联网（The Internet of Things，IoT）、车联网（Internet of Vehicles，IoV）等技术的兴起，超精密、小型化、低成本的传感器、生物探测器、定位导航系统等关键传感测量器件的产品市场需求量将迅猛增长。经典测量技术的精度往往受限于衍射极限、散粒噪声等因素，测量精度难以进一步提升。而量子测量技术基于量子体系的纠缠、压缩、高阶关联等特性，使得测量精度显著提升，甚至可以突破经典测量的散粒噪声极限。量子测量技术范围十分广泛，不同领域间发展不均衡，其中某些较为成熟的领域正逐步向小型化、集成化、芯片化方向发展，成为产学研多领域的研究热点。
2.1 量子测量技术的原理及特征
量子测量技术利用特定的量子体系（如原子、离子、光子等）与待测物理量（如磁场、重力场等）相互作用，使之量子态发生变化，通过对体系最终量子态的读取及数据后处理过程实现对物理量的超高精度探测。基本可以分为量子态初始化、与待测物理量相互作用、最终量子态的读取、结果处理等关键步骤，具体参见图1。量子态的初始化是通过控制信号将量子体系调控到特定的初始化状态；与待测物理量相互作用后会导致量子体系的量子态发生变化，直接或间接的测量最终的量子态，再将测量结果处理转换成传统信号输出，获取测量值。量子测量技术应具备以下基本要素：一是“测量工具”是量子系统，如单光子、纠缠光子对、原子、离子等；二是“测量工具”与测量对象之间相互作用，使其量子态发生变化，并且这种变化是可以通过直接或间接手段读取的。按照对量子特性的应用，量子测量可分为基于量子能级跃迁、基于量子相干性、基于量子纠缠的3种量子测量技术。
图1 量子测量基本步骤和分类
2.2 量子测量技术应用领域及优势
量子测量技术可以用于探测磁场、电场、加速度、角速度、重力、重力梯度、温度、时间、距离等物理量，应用领域包括基础科学研究、军事国防、航空航天、能源勘探、交通运输、灾害预警等[1]。目前，量子测量的研究主要集中在量子目标识别、量子重力测量、量子磁场测量、量子定位导航、量子时频同步五大领域，每个领域又细分诸多技术方案，具体参见图2。
图2 量子测量应用领域与技术方案
超高精度是量子测量技术的核心优势。例如，传统的机电陀螺的测量精度一般只能达到1E-6°/h量级，而量子陀螺仪的理论精度高达1E-12°/h[2]；传统重力仪受落体时间间隔限制，重复率低，噪声较大，精度可达1E-9g，原子重力仪基于冷原子干涉技术，理论上可使现有绝对重力测量灵敏度提高1000倍[3] ；传统雷达成像的精度受衍射极限的限制，而量子雷达利用电磁场的高阶关联特性进行成像，分辨率可突破衍射极限，进一步提升成像和探测精度[4]。
2.3 量子测量技术研究发展趋势
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。
基于量子相干性的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，已开展小型化、可移动化方向的研究。
以上两类量子测量技术的小型化、实用化、芯片化已成为研究热点，表1展示了近些年国际和国内在小型化、芯片化方面的研究成果。小型化、芯片级、低功耗的高精度量子测量装置为量子测量技术进一步实现商用奠定了基础。
表1 量子测量领域研究进展
基于量子纠缠的测量技术精度理论上可以突破经典极限，达到海森堡极限，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。
鉴于量子测量技术应用十分广泛，涉及民生、军事国防、基础科学研究等诸多领域，多国相继出台各自发展战略和研究计划。中国《“十三五”国家基础研究专项规划》、美国《量子信息科学国家战略概述》、英国《英国量子技术路线图》、欧盟《量子宣言》以及日本“量子飞跃”项目中都明确将量子测量技术作为重要的研究方向。欧美国家量子测量领域研究实现科研院所、商业企业、军队军工、政府机关多方合作，联合助力，共同推进技术和相关产业发展，推动研究成果落地和实用化产品化。目前，涉及量子测量技术的国际公司包括AOSense、μQuans、Twinleaf、Oscilloquartz、Northrop Grumman等，量子加速度计、时钟源、雷达成像、磁力仪、陀螺仪、重力仪均已实现产品化，广泛应用于航空航天、军事军工、电信网络、能源勘探、医学检测等诸多领域。
国内量子测量技术研究的优势在于科研机构数量众多，政府十分重视，科研方面的资金投入和扶持力度都十分可观。科研成果数量与欧美国家持平，但是部分性能指标参数仍有数量级差距。目前，国内量子测量技术研究的主要参与者仍是科研院所和高校，商业企业介入较少，科研院所、高校和行业公司缺乏交流与合作的平台，实验室研究和实际应用需求之间存在隔阂，很难推动科研成果落地，产业生态链尚未形成。目前，国内涉及量子测量的商业公司主要集中在量子时钟源领域，少数初创公司致力于量子雷达、量子态操控与读取等领域。
从产业发展来看，全球量子测量产业市场收入逐年增长。BCC Research报告指出[12] ，全球量子测量市场收入额在最近两年内年均复合增长率（CAGR）约为10%左右，并预计在2020—2025年期间增长到约3 亿美金。从图3可以看出，原子钟、重力仪、磁力计领域发展较早，技术相对成熟，占据量子测量绝大部分份额。如果按地域划分，目前欧美国家，特别是北美收入额占比最高，预计未来5年仍将处于主导地位。而亚太地区，特别是中国，未来量子测量产品的需求量或将占据主导地位。随着近年来国内远程医疗、工业互联网、IoT、IoV、自主机器人、微型卫星等技术与应用的逐步成熟，超精密、小型化、低成本的传感装置、生物探测器、定位导航系统等器件的需求量会显著增长，广阔的市场潜力不容小视。
图3 量子测量市场分析与预测
未来，5G、工业互联网、量子通信等技术发展对时钟同步提出了更高的需求：在3GPP R4-1802142 CR38104-f00中，对不同类型的协同增强同步提出要求，如多入多出和发射分集技术的时间偏差要求为65ns，对于带内连续载波聚合低频基站（Sub 6G）时间偏差要求为260ns[13] ；在ITU-T立项G.8272.1，制定增强型时间服务器（PRTC+）标准，要求同步精度优于±30ns；工业互联网中传感器数据、音视频文件、控制指令等对时间十分敏感，时间同步误差绝对值要求不高于1μs[14] 。而通信网络中的时钟同步精度主要取决于时钟源精度和同步传输协议的精度。因此，提高通信网络的时钟同步精度可以从源头和传输协议两个方面进行。
作为时钟源头设备的高精度时间服务器（PRTC/ePRTC），可采用卫星授时或者超高精度地面授时。卫星授时存在一定误差、部署成本较高、无法覆盖室内场景，更重要的是存在可靠性和安全性隐患。地面授时通过光纤授时溯源至国家授时单位，取决于地面时钟源的精度，目前中国计量科学研究院参与驾驭国际原子时的NIM5铯原子喷泉微波钟的不确定度约为9E-16量级[15]。
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。目前，由美国标准技术研究院研制的镱原子光钟是全世界最好的光钟，其不确定度可达到1.4E-18量级[16]。国内光钟的报道中性能最优的是中科院武汉物理与数学研究所的钙离子光钟，不确定度约为5E-17量级[17]。由于还没有电子系统能够直接准确地记录每秒5E14次的光学振动，因此光钟在实际系统中的应用一度存在难点。光学频率梳为超高精度同步实现提供了新的技术手段，可将光频率的稳定性和精度“传递”到微波频率，使得微波原子钟具有与光钟相同的输出特性，提高了时钟输出精度。
为了将时钟源头的同步信息传递到末端的终端设备，还需要高精度的同步传输协议。目前，通信网络中最成熟的同步传输协议是1588v2，单节点时间同步精度为±30ns。基于量子效应的量子时间同步协议理论上可以突破经典极限，实现更高精度的同步信息传递。
理论研究发现，在相同条件下，量子时间同步精度极限比经典时间同步极限提高MN倍（N为一个脉冲中包含的平均光子数，M为脉冲数）[18]。量子时间同步协议精度理论上可达到ps量级。因此，国内外多家研究机构开展了基于量子效应的时间同步协议，表2列举了目前提出的几种量子时间同步协议的方案。量子时间同步协议的研究仍处在实验室验证阶段，很多核心技术和关键问题有待突破，比如大量处于纠缠态的光子对的制备等。
表2 量子时间同步协议技术方案
量子测量技术在包括通信、能源、军事、航空在内的诸多领域具有巨大的应用潜力。但是分支众多，技术方案多样且技术成熟度差异较大。笔者建议对整个测量领域的技术成熟度、产业发展现状、应用前景及瓶颈问题进行全面梳理，制定研究计划和发展战略，分阶段、有重点地持续投入，避免盲目、重复性投资。实验室研究还应与商业应用、产业发展紧密结合，一方面逐步提升性能参数指标，另一方面注重产业生态发展和应用模式。对于关键技术和核心器件，需攻坚克难，在原创性、开拓性研究成果的基础上实现自主知识产权。
总之，广阔的市场前景和迫切的应用需求是量子测量技术和产业发展的重要推动力，但只有产学研用一体化发展才能更好地实现技术创新和产业生态建立。
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