美国发布量子传感器国家战略

光子盒研究院出品

 

 

美国国家科学和技术委员会(NSTC)量子信息科学小组委员会(SCQIS)近日发布了名为《将量子传感器付诸实践》的报告，通过扩展量子信息科学(QIS)国家战略概述中的政策主题，增强了QIS国家战略。

 

量子传感器和测量设备提供精确性、稳定性和新功能，为商业、政府和科学应用提供优势。例如用于全球定位系统(GPS)导航的原子钟和用于磁共振成像(MRI)的核自旋控制已经被广泛使用，对社会产生了变革性影响。在不久的将来，量子信息科学与技术(QIST)可以实现新一代类似的变革传感器。

 

产业界、学术界和政府部门和机构之间的合作可以促进必要的科学和工程，为此，报告提出了一些建议，以协调研发并促进量子传感器的有效应用。国家科学技术委员会量子信息科学小组委员会(SCQIS)应利用其机构间工作组，促进以下建议的适当实施：

 

1.领导QIST研发的机构应该加快开发新的量子传感方法，优先考虑与最终用户建立适当的伙伴关系，以提高新量子传感器的技术成熟度；

 

2.使用传感器的机构应该进行可行性研究，并与QIST研发领导人共同测试量子原型系统，以确定有前途的技术，并专注于解决其机构任务的量子传感器；

 

3.支持研发工程的机构应该开发广泛适用的组件和子系统，如紧凑可靠的激光器和集成光学器件，以促进量子技术的发展并扩大规模经济；

 

4.各机构应该简化技术转让和收购的流程，以鼓励量子传感器技术的开发和早期采用。

 

这些建议以美国《量子信息科学国家战略概览》和《国家量子倡议(NQI)》法案为基础，加强了美国的QIST战略。其长期目标是通过量子技术的发展促进经济机会、安全应用和科学进步。在近中期，即未来1-8年，根据这些建议采取行动将加速实现量子传感器所需的关键发展。

 

量子传感器(quantum sensors)是利用量子力学特性(如原子能级、光子态或基本粒子的自旋)进行计量的设备。可为科学、技术和工业提供精密测量技术。量子传感器在不同领域均有影响：定位、导航、计时、本地和远程、生物医学、化学和材料科学、基础物理学和宇宙学。

 

表1 五类主要量子传感器

1.原子钟

 

原子钟是GPS导航的关键。当标准GPS信号不可用时，使用原子钟辅助网络和高精度时间传输协议可以为导航系统提供弹性。原子钟目前支持互联网和手机通信，是安全或高带宽应用所必需的。地质学、地震学、石油勘探、电网运营和金融服务业已经受益于芯片级原子钟(CSAC)。

 

图1 第一代芯片级原子钟(CSAC)的发展时间表

芯片级原子钟(CSAC)计划由美国国防部高级研究计划局(DARPA)发起，在2001年NIST研讨会的推动下，建立在紧凑型激光器、相干布居捕获(CPT)和微加工等方面取得的一些进展之上。从基础研发(a-c)，到工程和原型设计(d-e)，到商业化产品的例子(f)，CSAC花了十多年的时间，在学术界、政府和产业界的协调下，持续投资了近1亿美元。多个项目和行业合作伙伴关系为CSAC的发展做出了贡献，实现关键的组件技术和商业化，销售量超过10万。

 

2.原子干涉仪

 

用作重力仪和重力梯度仪的原子干涉仪有望用于火山学、地下水、矿藏、潮汐动力学和冰层等地球科学研究。图2显示了原子干涉仪从发明到商业应用的一些里程碑。原子干涉仪可能很快就能绘制地下结构和空洞的地图，并有可能用于车辆检查和隧道探测；改进的重力仪有可能降低土木工程和地质调查的成本。

 

原子干涉仪在基础物理学领域的应用包括万有引力常数(大G)的测量、等效原理(自由落体的普遍性)的测试、毫米级的引力测量、暗物质粒子的搜索以及引力波探测的可能替代方法。

 

原子干涉仪还为惯性导航制造具有竞争力的陀螺仪和加速计，在某些情况下将对声纳或GPS的需求降至最低；陀螺罗盘、卫星定位、制导、导航重力测绘和海底避障等应用也可能即将问世。

 

图2 原子干涉仪从实验室研究到商业应用的时间表

德布罗意关于粒子像波一样传播的假设开创了物质波光学领域的研究。随后，原子干涉测量法受益于激光捕获和冷却原子、从光到原子的相干动量转移、光子学和纳米技术等方面的关键工作。原子干涉测量法的现代演示始于1991年(a)，该领域在多个机构的支持下不断发展，包括美国国家科学基金会(NSF)、美国国家标准与技术研究院(NIST)、ARO、ONR、DARPA、NASA和DOE。原子干涉测量法在重力测量(b)、惯性导航、土木工程、地球科学和基本常数的测量中都有应用。30多年来的持续投资使原子干涉仪从实验室仪器(c)发展到基于空间的平台，催生了新的公司和商业原型(d)、移动装置(e)、2020年美国宇航局冷原子实验室在轨道上进行原子干涉测量实验(f)。即使有了这些进展，仍然需要克服工程上的挑战，以促进原子干涉仪的商业应用。例如，需要在激光系统、集成光学、原子源、真空系统和量子控制方面进行重点工作。

 

3.光学磁力计

 

基于蒸汽、玻色凝聚体或固态系统(如金刚石中的氮-空位(NV)中心)中原子自旋的光学磁力计可以为本地和远程传感、绘图和导航提供功能。磁力计可用于神经功能的生物医学研究，例如，通过脑磁图(MEG)了解阿尔茨海默病、帕金森病和认知能力。MEG等技术是对生物医学中的功能磁共振成像、脑电图(EEG)和冷冻电子显微镜的补充。NV中心还能对微米级样品的化学位移进行核磁共振光谱学分析，适用于研究单个细胞的蛋白质动力学。光学磁力计还可以支持生物样本的无创检测和表面科学的新工具。

 

图3 左为基于SQUID的MEG，右为基于光学磁力计的MEG

基于超导量子干涉器件(SQUID)的MEG设备(a)需要低温冷却，有很大的占地面积和开销。虽然适用于医学研究领域，但它们不太可能实现大规模的临床使用。基于光学磁力计的MEG设备(b)可以接近甚至超过SQUID MEG的灵敏度极限，而不需要低温冷却或大的操作空间。这些更小、更便携的MEG设备的一个应用可能是在现场诊断脑外伤。

 

图4 NV中心磁力测量法

金刚石中的氮-空位(NV)中心允许磁测量和核磁共振(NMR)光谱分析，以及空间分辨率接近纳米级的成像。NV中心的研发工作已经持续了20多年，参与者包括NSF、NIST、美国能源部、美国国防部和美国国立卫生研究院。显著的成就包括检测泛素蛋白中的多种核物种，如(a)；使用NV中心的NMR光谱分辨率，如(b)；使用使用单个NV中心的扫描共焦显微镜、纳米级磁场传感、使用量子钻石显微镜的单细胞成像、以及活体标本中单个神经元激发的检测。金刚石NV磁成像仪的可能的近期应用是检测由多发性硬化症等疾病引起的动作电位传导速度的变化。

 

4.利用量子光学效应的装置

 

利用量子光学效应的设备提供了突破显微镜、光谱和干涉测量中的标准量子极限的机会。非经典状态的光子使测量达到海森堡极限。例如，“压缩光”使NSF的激光干涉仪引力波观测站(LIGO)及其国际同类设备Virgo和KAGRA在传统的预期噪声基线以下运行。使用压缩光大大增加了黑洞碰撞的探测率，有效地扩大了LIGO可以研究的宇宙范围。

图5 LIGO从理论概念到国际观测活动的发展时间表

NSF的激光干涉仪引力波观测站(LIGO)是超过40年基础研究和超过10亿美元投资的结果。在首次观测的一个世纪前，爱因斯坦就预言了引力波的存在，并于1981年首次提出利用压缩光来打破标准量子极限。在最初资助时，LIGO是NSF最大的单笔资助。从最初的投资到产生对引力波的观测，花了20多年的时间；这证明了持续和耐心管理的价值。迄今为止，已经有超过90次探测到由黑洞合并、黑洞-中子星合并和中子星碰撞产生的引力波事件。国际上正在努力建造更多基于地面的干涉仪，以及一个名为LISA的天基干涉仪。图中从左到右是使用压缩光探测引力波的早期示意图(a)，先进LIGO的四重钟摆悬挂系统(b)，在LIGO部署压缩光光路(c)，可以提醒手机引力波探测事件的应用程序(d)，世界各地现有和发展中的重力观测站的地图(e)。

 

量子光学领域也为超分辨率和非侵入性或低侵入性提供了成像的基础。这些概念可能为生物医学提供新型显微镜。单光子和光子数态探测器可以应用于DNA测序、酶活性跟踪、粒子物理学、暗物质搜索、量子网络协议和微光遥感，如高级激光雷达。

 

通过量子态层析成像、量子门集层析成像和量子过程层析成像的量子传感器可以阐明量子计算机原型和组件的行为。这些用于材料和器件的复杂探针可能会导致对超导量子比特、离子阱量子比特、金刚石NV中心以及固态材料中的其他设计杂质的更好理解。

 

5.原子电场传感器

 

原子电场传感器可以使用里德堡原子态作为换能器或量子天线，来测量从直流(0 Hz)到太赫兹(1012 Hz)的宽频率范围内的电磁场。太赫兹辐射的探测、信号处理和成像可以通过使用相干光谱学方法的光学读出来实现。这项技术为遥感和电测的新能力提供了机会，有可能扩大太赫兹范围内的新应用。此外，原子电场传感器提供了减小天线尺寸和改善射频滤波的机会。其他应用包括扩大蜂窝塔之间的距离，以及采集具有宽动态范围的信号。

 

量子传感可以说是量子技术中最成熟的子类别；相比之下，量子计算和量子网络处于早期的发展阶段。鉴于目前的情况，如果一些关键挑战能够克服，一些量子传感器有望在短期内对社会产生影响。

 

将量子传感器从概念验证设计带到可部署产品仍然需要克服许多障碍。首先，巨大的应用空间和潜在用户需求，使得人们很难专注于特定的应用或需求。此外，许多量子传感器的市场驱动力和商业价值仍在确定之中。因此，研发工作是分散的。与此同时，从基础研究到成功产品的漫长道路需要大量和持续的资金，通常需要几次协调推进。

 

鉴于不同用户群体的不同需求，应制定一项长期战略，使多个机构保持一致，并将私营部门利益相关者团结在一些特定应用和关键支持技术的开发上。对于任何一个机构、大学或公司都无法独自维持的研发工作来说，一个有凝聚力的、全系统的方法尤其重要。与私营部门进行更多协调，使量子技术更加高效成熟，这将得益于知识产权、收购、研究安全和适当伙伴关系的协调努力。

 

建议一：领导QIST研发的机构应该加快开发新的量子传感方法，并优先与最终用户建立适当的伙伴关系，以提高新量子传感器的技术成熟度。

 

面临的挑战：许多进行基础研究的科学家缺乏他们的工作最终可能被应用的广阔领域的专业知识。这包括熟悉当前(竞争性)技术以及在作战环境中部署传感器的严格要求。找到具有互补知识的专家和最终用户是一项挑战，而且回报可能需要很长的周期。这些时间可能与晋升和任期标准不一致，对新的联合项目缺乏方案资源或机构支持(据认为)会减缓进展。也很难预测实验和演示是否或何时会产生商业、科学相关的设备，或帮助机构完成任务。

 

建议：领导QIST研发的机构，如NIST、NSF、DOE、DOD、NASA和情报界，应该与量子传感器原型的潜在最终用户合作，共同测试、开发和传播最终用户应用的结果。该建议的目标是加速原型的基础研发、测试和利用。这些机构应该寻求与美国政府、产业界和学术界的最终用户建立适当的伙伴关系，这些用户可以应用量子技术来改进技术消费者实现各自目标或任务的方式。共同努力通过提供新的能力、先发优势和提高对新兴技术的认识而使最终用户受益。

 

建议二：使用传感器的机构应进行可行性研究，并与QIST研发领导人共同测试量子原型系统，以确定有前途的技术，并专注于解决其机构任务的量子传感器。

 

面临的挑战：量子技术被夸大的说法所包围，对潜在应用的不切实际的期望或误解是常见的后果。还有一些潜在的终端用户不知道某些量子传感器的存在，从而错过了机会。在发展规模经济之前，很难预测实验室演示何时或是否具有商业可行性，是否有助于机构完成任务。例如，与现有的、经典的替代方案和基准进行比较并不简单，因为经典传感器可能有几十年的研发经验。这些挑战使得预测采购支持的竞争设备变得更加复杂。此外，传感器的实用价值取决于许多因素，包括在现实环境中的性能、对环境噪声的响应、可靠性、带宽、占空比和操作死区时间等规格，但通常不是科学家或发明家在早期原型优化的首要任务。然而，这些因素与实地部署高度相关。因此，潜在的最终用户应该帮助判断这个空间。

 

建议：使用传感器的机构应确定一些相关的量子技术，并进行专门的调查，酌情调用合作伙伴关系、MOU和MOA。美国政府内的潜在最终用户机构(消费者)可能包括国土安全部、国家卫生研究院、农业部、美国地质调查局、美国国家海洋和大气管理局，以及能源部、国防部和NASA中最初可能不属于QIST研究生态系统的部分。国家实验室、联邦政府资助的研发中心和学术界的科学家也可能是早期采用者。QIST研发从业者和这些最终用户的共同努力可以优先用于现场测试、共同设计和开发新的量子传感器原型和应用。各机构可以利用SCQIS及其工作组来帮助确定潜在的合作伙伴关系。

 

建议三：支持工程研发的机构应该开发广泛适用的组件和子系统，如紧凑可靠的激光器和集成光学，以促进量子技术的发展，促进规模经济。

 

面临的挑战：由于控制量子系统所需的严格技术要求和工程成本，获取关键支持技术是一项挑战。将实验室原型移植到现场演示通常需要尚未可用的组件或工艺，如专用材料、制造设施、集成光子器件、激光器、电子器件、真空系统、互连、量子控制和诊断。不幸的是，许多这些使能技术还没有足够大的市场来实现规模经济。这些障碍延迟了所需子系统的开发，并且对在没有多次迭代和后续改进的情况下向最终用户提供能力带来了挑战。

 

建议：支持研发工程的机构应该与SCQIS及其工作组合作，以确定促进关键组件开发的方法，这些组件是使量子传感器更紧凑、更可靠和更具成本效益所必需的。探索与产业界的共同努力，并对基础设施进行有针对性的投资，可以生产出跨领域、多功能的组件，从而实现多种量子设备，如适用波长的可靠激光器和集成光学电路。各机构应该协调对这些有利技术的战略研发投资，建立合资企业和人才队伍，培育可持续的量子产业基础。

 

建议四：各机构应该简化技术转让和收购的流程，以鼓励开发和尽早采用量子传感器技术。

 

面临的挑战：一些与知识产权保护有关的做法可能会阻碍合作，这些挑战在国际合作中变得更加严峻。类似地，对采购的善意限制可能会推迟收购和减缓开发，在某些情况下会降低竞争力。因此，需要一种平衡的方法来确保研究安全，同时维护美国科学领导力背后的核心价值观，包括公开、透明、诚实、公平、公平竞争、客观性和民主原则。虽然研究安全面临严重威胁，但也存在一种风险，即过度广泛地实施保护措施可能会抑制推动进步的信息交流。

 

建议：各机构应该确定并实施有助于解决技术转让问题的做法，例如来源选择、购买权、许可协议和利益冲突。高效的技术转让和获取过程对于创新至关重要。它们可以减少发明人探索商业可行性的行政障碍，帮助最终用户访问和共同开发产品，并使公私合作更加直接。在公众信任至上的情况下，确保以适当促进创新和基础研究的方式做出决策，同时减轻行政负担，可以促进快速创新。为此，机构应该慎重考虑对技术或操作风险的承受能力，同时考虑法律和规范，维护研究安全的最佳实践。由于技术转让取决于政府、私营部门和学术界不同部门的许多人，一种方法是让SCQIS、NSTC实验室到市场小组委员会及其工作组参与进来，确定和分享最佳实践。

 

为帮助实施这些建议，报告描述了研发界在近期(1-3年)和中期(3-8年)的一些现实的期望。

 

在未来1-3年内，行动应该包括：

 

1.QIST研发领导人向各机构提供关于量子传感器的简报和研讨会。简报包括对现有传感器的调查及其对机构任务/需求的影响的分析。理想情况下，这些简报将带来后续工作，共同测试和演示量子传感器，并编制现有和可行的性能指标的策划清单。

 

2.潜在的最终用户应该参加以QIST为中心的专业协会会议、研讨会和圆桌会议，了解他们的需求。最终用户可以参加提议者日活动，告知研发界他们对量子技术的兴趣和期望的性能指标。

 

3.在滚动基础上促进新量子传感器研发的适当伙伴关系，参与联合现场测试和初步结果评估。量子传感器的收购、演示和联合设计应该有助于开拓和验证新的应用。对于跟踪和评估而言，将现有和新的量子传感器联合研发工作及其对成熟量子传感技术的贡献进行分类将是很有价值的。

 

4.确定量子传感器的具体、高价值应用，证明专门的工程和制造工作是合理的。其中一个输出是关键组件的优先列表，以及相关工程研发的规格和计划。

 

5.确定工程基础设施和研发活动的清单，并对其进行优先排序，以解决每项活动在使能技术和应用方面的鸿沟。估计每项活动所需的时间和投资及其潜在影响。应该鼓励有助于大量量子应用的活动或基础设施。

 

6.在机构内确定或建立能够以促进量子传感器技术发展的方式协助解决法律和政策问题的机构。

 

7.跟踪工程和科学突破，文献计量、参与者、专利、量子传感技术的许可，以及量子传感器的销售或收入，并跟踪国内外的关键组件或支持技术。

 

一旦通过协调活动确定了合适的技术，在未来3-8年内，研发界和SCQIS中的机构应该努力：

 

1.与最终用户合作执行现场测试和演示，以加快早期采用和过渡。

 

2.优先考虑组件小型化和子系统集成。

 

3.通过财团和代工厂开发和建设研发基础设施。

 

4.为已确定的量子传感器和组件技术制定标准。

 

虽然还有很多基础科学有待完成，量子传感器的全新概念和平台很可能在未来被发现，这里介绍的战略侧重于原型系统的现场测试，因为这些已经被确定为需要协调的鸿沟，可以支持整个QIST领域。支持早期探索性QIST研究的现有机制是新想法的重要来源，不应该被这些建议所取代。将量子传感器从实验室推向市场的国家战略必须促进技术发展的漫长过程。

 

如果这一战略得以成功实施，开发、演示和利用选定传感器的共同努力将加速变革性产品和服务的传播。在此过程中，早期采用者将获得先发优势，创新者和企业家将获得知识产权。量子组件和设备的可用性增加将使许多用户受益，包括其他领域的科学家，从而拓宽QIST研发社区。总而言之，为了让美国实现量子技术的经济、安全和社会效益，各机构应该齐心协力，实现下一代量子传感器。

 

报告原文：

https://www./wp-content/uploads/2022/03/BringingQuantumSensorstoFruition.pdf

 

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