近期，美國發(fā)布了2024年國家量子計劃財政預算，此次公布的預算較2019年翻番，并且將支持期限延長至2028財年，可見美國對量子技術的重視。 美國國家量子計劃（NQI）涵蓋量子傳感、量子計算、量子網絡等5部分，參與該研發(fā)計劃的部門包括美國國家科學基金會、國防部、能源部等眾多機構，從報告中看到，美國對量子傳感技術的預算撥款與量子計算相差無幾，意味著美國對量子傳感技術的看重。眾多部門里，美國國防部對量子傳感技術的研究興趣最大，并公布了一個量子傳感器在環(huán)太平洋演示中的實戰(zhàn)案例。 此前，美國《福布斯》雜志發(fā)表報告認為：新一輪的國際競爭將會是量子科技之戰(zhàn)。其中提及量子傳感：現(xiàn)在量子傳感方面真正的進展不一定是實驗室工作或學術工作，而是將其投入實際使用。《福布斯》認為中國量子傳感在這方面可能與美國存在差距。中國應警惕傳統(tǒng)傳感技術產業(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！財政支持到2028年！美國發(fā)布量子技術年度計劃，對量子傳感技術高度重視！美國國防部公布量子傳感器在環(huán)太平洋演習中實戰(zhàn)案例！ 近期，美國發(fā)布了經總統(tǒng)拜登簽署的《國家量子計劃（NQI）總統(tǒng)2024財年預算補編》報告，這是《國家量子計劃法案》（NQI Act）要求的第四份NQI計劃年度報告，該法案，旨在加速美國在量子信息科學 (QIS) 和技術方面的領導地位。 美國眾議院認為2024 財年是國家量子計劃的關鍵時刻，在此前通過了《國家量子計劃重新授權法案》，這項法案不僅將對國家量子計劃的財政支持期限延長至2028財年，還將重點放在量子技術在現(xiàn)代場景中的應用上；標志著美國對這一可能定義未來技術格局的科學領域的承諾正在加深。

參與美國國家量子計劃的機構，包括美國國家標準與技術研究院（NIST）、國家科學基金會（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）、情報高級研究計劃局（IARPA）等十多個美國重要部門。 在2024年美國國家量子計劃預算報告中，預算為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，預算金額翻倍增長，可見美國對量子技術持續(xù)重視。

▲美國國家量子計劃（QIS）研發(fā)支出 美國國家量子計劃由5大領域組成： 1、量子傳感與計量（QSENS） ：是指使用量子力學來增強傳感器和測量科學。QSENS可以包括疊加和糾纏、非經典光態(tài)、新的計量制度或模式的使用，以及量子控制（例如原子鐘）在準確性和精度方面的進步。2、量子計算 （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、使用可編程量子設備的數(shù)字和模擬量子模擬器、量子計算機和原型、混合數(shù)模計算，以及量子經典計算系統(tǒng)。3、量子網絡 （QNET）：包括創(chuàng)建和使用糾纏量子態(tài)的努力，這些量子態(tài)分布在遠處并由多方共享，用于新的信息技術應用和基礎科學;例如，中等規(guī)模的量子計算機（模塊）聯(lián)網，以增強超經典的計算能力。4、促進基礎科學中的量子技術應用（QADV）：包括調用量子器件的基礎工作和 QIS 理論，以擴展其他學科的基礎知識;例如，提高對生物學、化學、計算、宇宙學、能源科學、工程學、材料、核物質和基礎科學其他方面的理解。5、量子技術 （QT） 列出了幾個主題：與最終用戶合作，在該領域部署量子技術并開發(fā)用例;QIST工程支持技術的基礎研發(fā)，例如電子、光子學和低溫學的基礎設施和制造技術;以及努力理解和減輕量子技術（例如后量子密碼學 （PQC））帶來的風險。 從報告中，可看到量子傳感與計量學 （QSENS）的資金撥款與量子計算 （QCOMP）相差無幾，美國政府及研究機構對量子傳感技術的重視程度不弱于量子計算，并且領先與量子網絡。

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

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美國國家標準與技術研究院（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波干涉儀，該干涉儀可以感知加速度，其精度超過標準量子極限。未來的量子傳感器有望提供更精確的導航，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)測和理解地球動力學，并為基礎物理學做出貢獻，例如暗物質研究。

（2022年12月9日）在四項獨立的研究中，NIST研究人員及其同事探索了尋找暗物質的新技術，例如使用超導納米線單光子探測器（SNSPD）的實驗，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。

美國國家科學基金會（NSF）：

（2022年9月23日）宣布了TAQS量子傳感挑戰(zhàn)（QuSeC-TAQS）計劃的新征集。該計劃支持由三名或更多研究人員組成的跨學科團隊，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 計劃獎勵，以推進量子傳感在天文學、生物學、大地測量學、化學、材料科學和物理學等一系列領域的應用。

美國能源部（DOE）：

美國能源部SC核心研究項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用，下一代探測器和表征工具的創(chuàng)建，增強等離子體和聚變科學的診斷能力，使用QIS支持的傳感器和實驗來探索新的物理學和黑暗宇宙，以及使用傳感器，抗輻射量子電路和核科學的核時鐘。

量子網絡研究和量子通信項目側重于糾纏分布、量子態(tài)隱形傳態(tài)、量子傳感器聯(lián)網以及量子網絡組件、應用和測試平臺的開發(fā)。

（2022年8月8日）作為 DOE SC SBIR/STTR 計劃的一部分，DOE ASCR 宣布有興趣接收軟件申請，以促進近期量子計算硬件的使用，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1500萬美元的獎勵，用于基礎研究，以探索科學計算和超大規(guī)模科學中潛在的高影響力方法，其中包括QIS獎，以解決開發(fā)量子算法的新方法，量子計算的通用模型，以及量子傳感器數(shù)據(jù)上的量子計算。

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

值得一提的是，美國國防部尤其重視量子技術，特別是量子傳感技術的研發(fā)，美國國防部認為：“量子技術正在接近一個臨界點，這將決定其產生影響的速度。如果美國能跟上步伐，就能為國防部實現(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、監(jiān)視和偵察（ISR）以及精確導航和計時（PNT）方面獲得軍事優(yōu)勢和應對長期軍事挑戰(zhàn)。開發(fā)量子陀螺儀、加速度計、磁力計、重力計和靜電計的研發(fā)計劃包括 OUSD（R&E）/ARL 先進量子傳感研究中心、DARPA 用于地球原生地形生物成像的原子磁力計 （AMBIIENT）、原子光子集成 （A-PhI）、新技術原子蒸氣科學 （SAVaNT）、量子孔徑和矢量電磁輻射量子成像 （QuIVER） 計劃，陸軍計量學項目、ARL的里德堡原子電磁場傳感項目、ARO的量子態(tài)工程增強計量學和多量子比特增強傳感和計量多學科大學研究計劃（MURIs），ONR的慣性和重力傳感器原子干涉測量工作，AFRL戰(zhàn)略原子導航設備和系統(tǒng)（SANDS）計劃，以及AFOSR MURI關于冷分子。

美國國防部還展示了量子傳感器在2022年環(huán)太平洋演習中實戰(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應用研究實驗室和某家企業(yè)共同開發(fā)，將經典的慣性導航系統(tǒng)與基于原子干涉儀的加速度計相結合——這是一個量子慣性傳感器，能夠獲得精度極高的重力和慣性測量結果，用于精確位置導航。 經過長達21天的實戰(zhàn)測試后，美國國防部認為：量子傳感器的魯棒性、長壽命和在相關動態(tài)下的工作顯示出傳感器技術成熟水平不斷提高的跡象。最終，國防部的目標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 報告介紹，QIS研發(fā)高度國際化，人才、基礎設施和工業(yè)能力遍布全球。全世界有三十多個國家為QIS研究提供了大量政府資金，至少有17個國家制定了國家戰(zhàn)略量子技術發(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是量子科技之戰(zhàn)，量子傳感器是目前最接近實用的量子技術，中國在產業(yè)化方面或有差距 美國財經商業(yè)媒體《福布斯（Forbes）》此前對量子技術發(fā)表觀點，認為：未來的國際競爭將聚焦于量子技術領域的科技之戰(zhàn)。美國一直尋找利用量子技術進行戰(zhàn)爭的新方法，無論是開發(fā)更強大的計算機、支持GPS、加強通信安全，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。 美國國防部評估了一系列量子技術的成熟度和預期軍事影響，認為，有用的量子計算機可能還需要十年甚至更長時間才能實現(xiàn)，但是一些關于控制單個原子和光子的基礎研究即將被用于制造更準確的傳感器，包括追蹤運動的加速度計和陀螺儀，以及探測重力和磁場小變化的設備——或許這也是為什么上文美國國家量子計劃預算報告中，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，配合標準慣性導航系統(tǒng)使用，能夠讓海軍艦艇在沒有GPS的情況下進行導航，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)項目的參與者，該公司正在為該計劃建造的量子陀螺儀將于2024年進行飛行測試。 《福布斯》認為，雖然蘇聯(lián)誕生了20世紀最偉大的理論物理學家，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。中國在量子技術方面的工作集中在大型國家實驗室，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展不一定是實驗室工作或學術工作，而是將其投入實際使用。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)博世官網的描述，這一業(yè)務部門的首款量子傳感器是個“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《量子技術戰(zhàn)略和路線圖》，探討量子技術如何在量子計算、量子傳感器等領域發(fā)揮作用。 2020年5月，歐盟“量子技術旗艦計劃”發(fā)布《戰(zhàn)略研究議程》報告，針對自身長達十年的生命周期設置了三個階段性目標。其中量子傳感與測量的三個階段：

①3年內開發(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)與量子標準，并在實驗室中演示；

②6年內開發(fā)出集成量子傳感器、成像系統(tǒng)與計量標準原型，并將首批商業(yè)化產品推向市場，同時在實驗室中演示用于傳感的糾纏增強技術；

③10年內從原型機過渡至商業(yè)設備。

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

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

▲來源：日經中文網 德國與日本、美國并稱三大傳感器強國，2018年德國推出《量子技術：從基礎到市場》聯(lián)邦政府框架計劃，在4年內（2018—2022年）斥資6.5億歐元，對量子計算、量子衛(wèi)星以及量子測量技術等提供支持。 2021年，德國量子系統(tǒng)專家委員會向德國聯(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)展量子技術的優(yōu)先研究領域和主要挑戰(zhàn)。《議程》確定了5大重點主題，分別為量子計算和量子仿真，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)一系列基礎技術，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絡、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、量子增強成像、量子光刻、量子重力儀等。此外，學術界和產業(yè)界相關主體的緊密合作也至關重要，這包括降低相關主體使用大型基礎設施進行量子技術研發(fā)的門檻、共同制定量子測量和傳感器領域的標準、培訓相關專業(yè)人才等。

中國持續(xù)跟蹤量子技術的前沿研究，在量子計算、量子通信方面已處于全球領先水平，量子傳感器技術同樣不落后。 2022年，國務院發(fā)布《計量發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，提出“重點開展量子精密測量和傳感器件制備集成技術、量子傳感測量技術研究”，多次提到量子傳感技術的研究重要性。 但目前中國量子傳感器研發(fā)主要集中于大型國家機構、高校等，私營企業(yè)進行研發(fā)的較少。

▲《計量發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》部分內容 結語：警惕悲劇重現(xiàn)！ 量子技術作為最具顛覆性的前沿技術，全球大國爭先進行研究，而其中，量子傳感技術是有望最先實現(xiàn)商業(yè)化應用的量子技術。 2024年，美國持續(xù)重金投資量子技術，并將撥款年度至少延續(xù)到2028財年，其中，美國政府對量子傳感技術的撥款和研發(fā)，與量子計算同等重視，并領先于量子通信。 與傳統(tǒng)傳感器領域一樣，量子傳感器的關鍵在于產業(yè)化，而中國量子傳感器產業(yè)化仍需努力，警惕傳統(tǒng)傳感技術產業(yè)化的落后悲劇在量子傳感器中重現(xiàn)！ 審核編輯 黃宇