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以量子信息科学的重要分支——量子传感为研究对象，结合文献计量和典型调查法，探究量子传感领域的战略布局及研究方向。研究表明，量子传感近十年发展迅速，发文数量、研究人员数量均快速增加，研究热度持续攀升。宏观层面：美国、德国、中国、日本、英国等国家竞争激烈，美德英日等相继推出国家战略规划引导量子传感研发。中观层面：乌尔姆大学、麻省理工学院、中国科学技术大学等发文数量居全球前三；乌尔姆大学、哈佛大学和麻省理工学院等在发文机构的合作网络中处于核心地位；以乌尔姆大学为代表的主要机构多重视固体单光子源研究，注重学科交叉、科研合作。研究方向演化方面：近十年基于冷原子体系的量子传感依然保持着较高的研究热度，同时基于固态单光子源的量子传感迅速成为研究热点。 随着量子通信、量子计算、量子传感的快速发展，人类正加速迈进量子信息技术时代。量子传感通过检测对环境高敏感的量子态来实现对外界环境的测量，并将测量精度从经典力学散粒噪声极限推至海森堡极限。相比于传统传感器，量子传感器在灵敏度、准确率和稳定性等方面存在显著改进，是传感领域的变革技术，被誉为工业生产的“倍增器”、科学研究的“先行官”。 近十年特别是近五年来，量子传感器的概念及性能评价指标逼近量子力学海森堡极限的精密测量能力，光子、原子、固体等不同量子传感体系的优点，原子钟、原子磁力仪、原子陀螺仪、原子重力仪等量子传感器的原理、分类和应用引起国内学者高度关注。同时，量子传感的战略布局、发展趋势等也成为重要研究方向。德国联邦物理技术研究院（Physikalisch-Technische Bundesanstalt，PTB）基于光钟技术开发可用于地球精密测量的量子重力仪；美英荷法德意等国重视冷原子干涉量子陀螺仪的研发。相对于量子通信领域的突出表现，我国量子传感研究力量落后于欧美；相对于量子通信、量子计算，我国量子传感领域的资助和科研产出均较低。加大研发投入对量子传感技术发展至关重要。 基于文献数据、政策文本等的客观画像有助于我国识别量子传感领域的机遇和挑战，做好量子变革时代的战略布局，把握创新方向。因此，本文以历年来SCI-EXPANDED收录的量子传感论文为基础，通过文献计量和知识可视化技术，辅以典型调查法来揭示量子传感研究的宏观、中观战略布局以及研究方向。  1.1 数据来源 在Web of Science的SCI-EXPANDED和CPCI-S子库中，以量子传感（quantum sensor 和quantum sensing）为主题词进行检索并辅以人工判读，最终遴选770条“Article”类型发文记录（检索日期为2021年1月11日）。本文更关注量子传感的应用研究而非基础研究，因此选取的量子传感主题词本身侧重量子系统、量子特性、量子现象的应用。 1.2 分析方法 使用Derwent Data Analyzer软件对年度发文、年度新旧作者、发文国家等进行分析，并使用VOSviewer软件对发文机构、关键词等进行共现聚类和可视化，以考察领域发展脉络、国家及机构发文情况、主要研究方向等，特别是直观展示研究热点及其随时间变化的情况。同时，采用典型调查法，通过研究主要国家的战略规划和主要机构的研究布局，揭示量子传感研究全球战略布局的主要特征。 量子传感研究已进入快速发展期。图1是论文数量变化趋势图。量子传感首篇文献发表于1989年，2011年后进入快速发展期，年度发文平均增长率27.1%。图2是已/新出现作者数量的变化趋势图。其中，已出现作者指于当前年份之前在量子传感领域有发文的作者，新出现作者是指于当前年份首次在该领域发文的作者。该图显示年度作者总人数和年度新出现作者人数均快速增加，研究热度持续攀升。 2.1 各国量子传感战略布局 图3为主要国家发表论文情况。美国排名第1，257篇发文约占领域总发文的33.4%；德国和中国分别排名第2和第3，分别发文153篇和117篇。排名前三国家是全球量子传感研究的中坚力量，也是相互竞争最激烈的国家，其发文总数占领域发文总数的68.4%。其次是日、英、澳、意等国。 图3 为主要国家年度发文量的变化趋势 美、德的研究起步较早且延续性好；我国的研究集中在2011年之后。2017年后我国发文增长迅速，其中2018和2020年的年度发文量均高于德国。目前，日、英与我国的发文差距并不明显，且它们同样在近十年内发文增长迅速，发展潜力较大。因此，除关注与美、德的竞争之外，我国也有必要关注日、英的研发动向。 美国：美国最重视顶层规划和立法保护，2016年至今发布了多份国家级战略文件，其中《推动量子信息科学：国家挑战与机遇》指出，美国量子信息科学发展的首个机遇便是量子传感与计量；《量子前沿》报告指出，要利用量子信息技术进行精密测量；2018年签署的《国家量子计划法案》高度重视量子增强型传感器研发。作为回应，国防高级研究计划局专注磁场、力学和时间量子传感器研发及其国防应用；国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）、天体物理学联合实验研究所（Joint Institute for Laboratory Astrophysics，JILA）深耕量子测量及其技术应用；国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）组建量子飞跃挑战研究所，定位精密测量和量子传感研究。 德国：德国于2018年提出“量子技术——从基础到市场”框架计划，将基于量子测量技术的传感器作为重点研究领域，提出要基于量子系统的相干、叠加和纠缠等特性，开发小型量子传感器用于工业精度测量技术、医学诊断、地球观测、地质和储层勘探、国防技术和导航等领域。 英国：英国于2015年正式启动“国家量子技术计划”，建立传感器与计时中心，瞄准量子计时、量子重力感应、量子定位等应用领域；同年发布《英国量子技术路线图》，覆盖原子钟、量子传感器、量子惯性传感器等7项重要技术；2018年发布《量子时代：技术机会》报告，聚焦原子钟、量子传感和测量等5大应用领域。 日本：日本于2017年推出《关于量子科学技术的最新推动方向》，重点关注“量子测量、传感器和影像技术”（包括固体量子传感器、量子纠缠光、光晶格钟）等三个量子科技方向；2018年发布量子飞跃旗舰计划，资助“量子测量和传感器”（包括固体量子传感器、量子光传感器）等三个技术领域；2020年发布《量子技术创新战略（最终报告）》，明确支持“量子测量/传感”（关注固态量子传感器、量子惯性传感器、光钟、量子纠缠光学传感器等相关问题研究）等三个基本技术领域。 表1为主要研究机构的量子传感发文情况。乌尔姆大学、麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）、中国科学技术大学、斯图加特大学、哈佛大学和日本产业技术综合研究所（National Institute of Advanced Industrial Science and Technology，AIST）等前6家机构共发文190篇，占发文总数的24.7%。 图5为机构合作网络，图中节点大小代表机构发文量的高低，连线粗细代表机构间合作频次的多少。该图清晰显示出三个子网络。整体而言，机构间的合作研究较为充分。乌尔姆大学、哈佛大学和麻省理工学院等处于最大子网络的中间位置，发文量大、与多数机构科研密切合作，是推进领域研究的重要力量。中国科学院、中国科学技术大学、香港中文大学（Chinese Univ Hong Kong）和华中科技大学（Huazhong Univ Sci & Technol）也处于最大的子网络中，有助于我国量子传感研究借助全球知识流动加速自身发展。
乌尔姆大学：该校量子传感研究主要涉及物理极限探索与超越、量子生物学（旨在开发具有蛋白质尺度分辨能力的生物过程量子传感器）、太空应用量子技术（旨在开发可用于导航、通信以及太空中地球和天气观测的下一代精密仪器）等三大方向。从外部合作来看，斯图加特大学与乌尔姆大学、马克斯普朗克固态研究所联合成立集成量子科学与技术中心（Integrated Quantum Science and Technology，IQST），致力于将量子科技整合为跨越传统研究领域的新学科，并彻底改变量子传感技术和原理，尤其是生命科学、材料科学和医学诊断应用领域。 麻省理工学院：代管林肯实验室下属量子信息与集成纳米系统部，正在开展量子金刚石磁力计特色项目，其引入的氮和空位具有出色的磁场感应能力，设计加工的金刚石对于高灵敏度测量显示出长寿命的量子相干性。此外，麻省理工学院还关注激光和微波场对金刚石量子态的精准调控研究、机器学习和读出技术研发。 中国科学技术大学：下属合肥微尺度物质科学国家研究中心开展基于光与冷原子体系的精密测量、基于原子的磁与惯性测量；下属中国科学院量子信息与量子科技创新研究院开展检验基本物理定律、寻找超越标准模型的新物理、光钟与时频传输、量子导航、光量子雷达等研究。 斯图加特大学：坚持通过学科整合推进量子科学研究，下属应用量子技术中心致力于推动新型纳米光子量子传感器的开发和应用。从外部合作来看，与乌尔姆大学联合成立IQST，并通过下属应用量子技术中心将乌尔姆大学在生物学和医学方面的研究发现转化为原型技术。 哈佛大学：下属工程与应用科学学院开展金刚石氮空位色心研究、高灵敏电荷检测系统以及纳米磁场传感器的开发等。从外部合作来看，哈佛大学与能源部（Department of Energy，DOE）三个量子信息科学研究中心存在合作，参与NSF量子飞跃挑战研究所工作，致力于设计、开发、应用量子传感技术以适应各种精密测量领域。另外，哈佛大学与MIT共建超冷原子中心，开展超冷原子和分子科学前沿研究。 日本产业技术综合研究所：下属设备技术研究所致力于开发量子器件制造技术以及用于量子传感的量子仿真技术，尤其关注基于金刚石氮空位色心的量子传感器设备研发；下属能量技术研究所围绕金刚石氮空位色心开展磁共振光学检测和电学检测研究，并提出量子传感协议。从内部合作看，下属纳米电子研究所、电子与光子研究所、健康研究所等也从事相关研究，且相互间合作密切。
2.2 冷原子体系保持着较高研究热度，固体体系成为热点方向 图6为关键词共现网络的聚类视图，图中节点大小代表关键词频次高低，连线粗细代表共现关系强弱，不同椭圆中的点线代表不同的聚类。图7为关键词共现网络的标签视图，不同颜色深度代表不同发文年份，展示出关键词随时间分布反映研究热点的变化。
图6中聚类1对应光量子传感器的生理生态学应用研究。以LI-COR 190系列为代表的光量子传感器，在400~700 nm范围内接近理想量子响应，可通过精准测量光合有效辐射间接估计冠层结构，被大量应用于森林、农作物研究，主要研究对象包括：太阳辐射（solar-radiation）、叶面积指数（leaf area index）、辐射（radiation）、叶（leaf）、生长（growth）、光合作用（photosynthesis）、冠层（canopy）、半球摄影（hemispherical photography）。结合图7来看，相关研究集中在2010年之前，最近十年研究热度明显降低。 图6中聚类2对应基于冷原子体系的量子传感研究，主要研究对象包括：原子干涉测量法（atom interfermometry）、玻色-爱因斯坦凝聚体（Bose-Einstein condensates）、冷原子（cold atoms）、等效原理（equivalence principle）、常数（constants）；主要应用包括：等效原理检验（equivalence principle test）、暗物质探测（dark matter detection)、引力波探测（gravitational waves detection）、广义相对论验证（general-relativity test）、基本物理常数精密测量（precision measurement of fundament physics constant/fine-structure constant/gravitational constant）、重力测量（gravity measurement/microgravity/gravimetry）、时间频率测量（clock/optical clock/optical lattice clock）。作为量子信息科学的典型体系，基于冷原子体系的单量子态产生相对复杂，通常需要激光冷却技术、离子阱技术等，单量子态产生效率较低，原子或离子目标量子态的制备具有间歇性。结合图7来看，相关研究开始时间较早，最近十年依然保持较高的研究热度。 图6中聚类3对应固态单光子源，特别是理想的金刚石氮空位色心的形成机理以及高密度控制研究，主要研究对象包括：金刚石（diamond）、色心（color center）、电子自旋缺陷（defects）、室温（room-temperature）、碳化硅（silicon carbide）、空位（vacancy）、自旋量子比特（spin qubits）、发射（emission）、单光子发射（single-photon emission）、荧光（fluorescence、luminescence）。固态单量子态由于其便捷性和鲁棒性，受到研究人员的高度重视。以金刚石为例，金刚石本身具有稳定的物理化学特性，色心具有优异的光学特性、制备易受控制，因此最受关注。在金刚石色心中，氮空位色心具有优异的光学性质且应用前景广，被认为是最实用的单量子态。除单量子态外，信号对比度高、灵敏度潜力大的系综类氮空位色心也越来越受到重视。与此同时，硅空穴色心由于其优异的光学特性（强零声子线发射、窄带宽、短寿命、不可区分的单光子发射）也得到迅速发展。结合图7来看，相关研究集中在近十年之间，特别是最近五年，具有非常高的研究热度。 除以上三个聚类外，图6还显示出以下主要研究主题：1）量子传感器性能的提升（关键词有灵敏度（sensitivity）、分辨率（resolution）、测量极限（limit）、动力范围（dynamics））；2）数据读出技术（readout）及其噪声（noise），噪声水平是限制传感器实际应用的直接因素；3）高分辨的原子光谱和磁共振波谱（关键词有原子光谱（light、spectroscopy）、磁共振（nuclear-magnetic-resonance））；4）量子调控和量子纠缠等（关键词有纠缠（entanglement）、相干（coherence））。此外，量子计量（quantum metrology）、磁力计（magnetometry）、氮空位色心（nitrogen-vacancy centers）、自旋系统（spin、electron spin、single spin、solid-state spin）、量子态（state）、量子比特（quibts）、存储（memory）等也是主要研究主题。需要注意的是，原子钟、原子磁力计和超导量子干涉仪等典型的量子传感器并不是主要研究主题。因为早在量子传感作为量子科学和工程学的新兴领域迅速发展之前，原子钟、原子磁力计和超导量子干涉仪等技术已十分成熟，不再是制约量子传感发展的关键技术。  结合文献计量法和典型调查法，探究量子传感领域的战略布局和主要研究方向发现：近十年量子传感研究快速发展，研究热度持续攀升。
3.1 宏观国家层面 美德中发文位居前三，是全球研究的中坚力量，相互间竞争最为激烈。日、英发文数量紧追中国，与中国存在你追我赶的竞争事实。我国除关注与美德的竞争之外，也有必要关注日、英的研发动向。 美德英日近十年间先后制定国家战略规划引导量子传感技术研发。我国需早日研究出台量子科技领域的国家发展战略规划，引导国内量子传感研究健康快速发展。
3.2 中观机构层面 乌尔姆大学、麻省理工学院、中国科学技术大学发文位居全球前三。乌尔姆大学、麻省理工学院、哈佛大学等在合作网络中处于核心地位，多数机构间合作频繁，知识流动畅通。其中，以乌尔姆大学为代表的主要机构多关注围绕金刚石的固体体系，普遍重视学科交叉研究。 建议国内科研机构广泛进行国内合作，深度参与国际合作，重视学科交叉研究，积极整合各方资源，早日在全球竞争中脱颖而出。
3.3 研究方向演变 光学量子传感器的生理生态学应用研究集中在2010年之前，目前热度降低，发展放缓；基于冷原子体系的量子传感研究起步较早，最近十年依然保持较高的研究热度，主要关注原子干涉仪、玻色-爱因斯坦凝聚体、冷原子、等效原理、常数等研究主题，其应用包括等效原理验证、暗物质探测、引力波探测、广义相对论验证、物理常数精密测量、重力测量、时间频率测量；基于固体体系的量子传感特别是金刚石氮空位色心的形成机理以及高密度控制研究发展最快，为热点方向。 作者：蒿巧利1,2、赵晏强1,2、李印结1,2 1 中国科学院武汉文献情报中心 2 科技大数据湖北省重点实验室 |
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