NSF的激光干涉儀引力波觀測站(LIGO)是超過40年基礎研究和超過10億美元投資的結果。在首次觀測的一個世紀前，愛因斯坦就預言了引力波的存在，并于1981年首次提出利用壓縮光來打破標準量子極限。在最初資助時，LIGO是NSF最大的單筆資助。從最初的投資到產生對引力波的觀測，花了20多年的時間；這證明了持續(xù)和耐心管理的價值。迄今為止，已經有超過90次探測到由黑洞合并、黑洞-中子星合并和中子星碰撞產生的引力波事件。國際上正在努力建造更多基于地面的干涉儀，以及一個名為LISA的天基干涉儀。圖中從左到右是使用壓縮光探測引力波的早期示意圖(a)，先進LIGO的四重鐘擺懸掛系統(tǒng)(b)，在LIGO部署壓縮光光路(c)，可以提醒手機引力波探測事件的應用程序(d)，世界各地現(xiàn)有和發(fā)展中的重力觀測站的地圖(e)。

量子光學領域也為超分辨率和非侵入性或低侵入性提供了成像的基礎。這些概念可能為生物醫(yī)學提供新型顯微鏡。單光子和光子數(shù)態(tài)探測器可以應用于DNA測序、酶活性跟蹤、粒子物理學、暗物質搜索、量子網絡協(xié)議和微光遙感，如高級激光雷達。

通過量子態(tài)層析成像、量子門集層析成像和量子過程層析成像的量子傳感器可以闡明量子計算機原型和組件的行為。這些用于材料和器件的復雜探針可能會導致對超導量子比特、離子阱量子比特、金剛石NV色心以及固態(tài)材料中的其他設計雜質的更好理解。

5.原子電場傳感器

原子電場傳感器可以使用里德堡原子態(tài)作為換能器或量子天線，來測量從直流(0 Hz)到太赫茲(1012 Hz)的寬頻率范圍內的電磁場。太赫茲輻射的探測、信號處理和成像可以通過使用相干光譜學方法的光學讀出來實現(xiàn)。這項技術為遙感和電測的新能力提供了機會，有可能擴大太赫茲范圍內的新應用。此外，原子電場傳感器提供了減小天線尺寸和改善射頻濾波的機會。其他應用包括擴大蜂窩塔之間的距離，以及采集具有寬動態(tài)范圍的信號。

面臨什么挑戰(zhàn)？又該如何克服？

量子傳感可以說是量子技術中最成熟的子類別；相比之下，量子計算和量子網絡處于早期的發(fā)展階段。鑒于目前的情況，如果一些關鍵挑戰(zhàn)能夠克服，一些量子傳感器有望在短期內對社會產生影響。

將量子傳感器從概念驗證設計帶到可部署產品仍然需要克服許多障礙。首先，巨大的應用空間和潛在用戶需求，使得人們很難專注于特定的應用或需求。此外，許多量子傳感器的市場驅動力和商業(yè)價值仍在確定之中。因此，研發(fā)工作是分散的。與此同時，從基礎研究到成功產品的漫長道路需要大量和持續(xù)的資金，通常需要幾次協(xié)調推進。

鑒于不同用戶群體的不同需求，應制定一項長期戰(zhàn)略，使多個機構保持一致，并將私營部門利益相關者團結在一些特定應用和關鍵支持技術的開發(fā)上。對于任何一個機構、大學或公司都無法獨自維持的研發(fā)工作來說，一個有凝聚力的、全系統(tǒng)的方法尤其重要。與私營部門進行更多協(xié)調，使量子技術更加高效成熟，這將得益于知識產權、收購、研究安全和適當伙伴關系的協(xié)調努力。

建議一：領導QIST研發(fā)的機構應該加快開發(fā)新的量子傳感方法，并優(yōu)先與最終用戶建立適當?shù)幕锇殛P系，以提高新量子傳感器的技術成熟度。

面臨的挑戰(zhàn)：許多進行基礎研究的科學家缺乏他們的工作最終可能被應用的廣闊領域的專業(yè)知識。這包括熟悉當前(競爭性)技術以及在作戰(zhàn)環(huán)境中部署傳感器的嚴格要求。找到具有互補知識的專家和最終用戶是一項挑戰(zhàn)，而且回報可能需要很長的周期。這些時間可能與晉升和任期標準不一致，對新的聯(lián)合項目缺乏方案資源或機構支持(據認為)會減緩進展。也很難預測實驗和演示是否或何時會產生商業(yè)、科學相關的設備，或幫助機構完成任務。

建議：領導QIST研發(fā)的機構，如NIST、NSF、DOE、DOD、NASA和情報界，應該與量子傳感器原型的潛在最終用戶合作，共同測試、開發(fā)和傳播最終用戶應用的結果。該建議的目標是加速原型的基礎研發(fā)、測試和利用。這些機構應該尋求與美國政府、產業(yè)界和學術界的最終用戶建立適當?shù)幕锇殛P系，這些用戶可以應用量子技術來改進技術消費者實現(xiàn)各自目標或任務的方式。共同努力通過提供新的能力、先發(fā)優(yōu)勢和提高對新興技術的認識而使最終用戶受益。

建議二：使用傳感器的機構應進行可行性研究，并與QIST研發(fā)領導人共同測試量子原型系統(tǒng)，以確定有前途的技術，并專注于解決其機構任務的量子傳感器。