美國國家科學(xué)和技術(shù)委員會(huì)(NSTC)量子信息科學(xué)小組委員會(huì)(SCQIS)近日發(fā)布了名為《將量子傳感器付諸實(shí)踐》的報(bào)告，通過擴(kuò)展量子信息科學(xué)(QIS)國家戰(zhàn)略概述中的政策主題，增強(qiáng)了QIS國家戰(zhàn)略。

報(bào)告概述

量子傳感器和測(cè)量設(shè)備提供精確性、穩(wěn)定性和新功能，為商業(yè)、政府和科學(xué)應(yīng)用提供優(yōu)勢(shì)。例如用于全球定位系統(tǒng)(GPS)導(dǎo)航的原子鐘和用于磁共振成像(MRI)的核自旋控制已經(jīng)被廣泛使用，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了變革性影響。在不久的將來，量子信息科學(xué)與技術(shù)(QIST)可以實(shí)現(xiàn)新一代類似的變革傳感器。

產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府部門之間的合作可以促進(jìn)必要的科學(xué)和工程進(jìn)步，為此，報(bào)告提出了一些建議，以協(xié)調(diào)研發(fā)并促進(jìn)量子傳感器的有效應(yīng)用。國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)量子信息科學(xué)小組委員會(huì)(SCQIS)應(yīng)利用其機(jī)構(gòu)間工作組，促進(jìn)以下建議的適當(dāng)實(shí)施：

1.領(lǐng)導(dǎo)QIST研發(fā)的機(jī)構(gòu)應(yīng)該加快開發(fā)新的量子傳感方法，優(yōu)先考慮與最終用戶建立適當(dāng)?shù)幕锇殛P(guān)系，以提高新量子傳感器的技術(shù)成熟度；

2.使用傳感器的機(jī)構(gòu)應(yīng)該進(jìn)行可行性研究，并與QIST研發(fā)領(lǐng)導(dǎo)人共同測(cè)試量子原型系統(tǒng)，以確定有前途的技術(shù)，并專注于解決其機(jī)構(gòu)任務(wù)的量子傳感器；

3.支持研發(fā)工程的機(jī)構(gòu)應(yīng)該開發(fā)廣泛適用的組件和子系統(tǒng)，如緊湊可靠的激光器和集成光學(xué)器件，以促進(jìn)量子技術(shù)的發(fā)展并擴(kuò)大規(guī)模經(jīng)濟(jì)；

4.各機(jī)構(gòu)應(yīng)該簡(jiǎn)化技術(shù)轉(zhuǎn)讓和收購的流程，以鼓勵(lì)量子傳感器技術(shù)的開發(fā)和早期采用。

這些建議以美國《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概覽》和《國家量子倡議(NQI)》法案為基礎(chǔ)，加強(qiáng)了美國的QIST戰(zhàn)略。其長(zhǎng)期目標(biāo)是通過量子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)、安全應(yīng)用和科學(xué)進(jìn)步。在近中期，即未來1-8年，根據(jù)這些建議采取行動(dòng)將加速實(shí)現(xiàn)量子傳感器所需的關(guān)鍵發(fā)展。

什么是量子傳感器？

量子傳感器(Quantum Sensors)是利用量子力學(xué)特性(如原子能級(jí)、光子態(tài)或基本粒子的自旋)進(jìn)行計(jì)量的設(shè)備?？蔀榭茖W(xué)、技術(shù)和工業(yè)提供精密測(cè)量技術(shù)。量子傳感器在不同領(lǐng)域均有影響：定位、導(dǎo)航、計(jì)時(shí)、本地和遠(yuǎn)程、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)、基礎(chǔ)物理學(xué)和宇宙學(xué)。

表1 五類主要量子傳感器

1.原子鐘

原子鐘是GPS導(dǎo)航的關(guān)鍵。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)GPS信號(hào)不可用時(shí)，使用原子鐘輔助網(wǎng)絡(luò)和高精度時(shí)間傳輸協(xié)議可以為導(dǎo)航系統(tǒng)提供彈性。原子鐘目前支持互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)通信，是安全或高帶寬應(yīng)用所必需的。地質(zhì)學(xué)、地震學(xué)、石油勘探、電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)和金融服務(wù)業(yè)已經(jīng)受益于芯片級(jí)原子鐘(CSAC)。

圖1 第一代芯片級(jí)原子鐘(CSAC)的發(fā)展時(shí)間表

芯片級(jí)原子鐘(CSAC)計(jì)劃由美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)發(fā)起，在2001年NIST研討會(huì)的推動(dòng)下，建立在緊湊型激光器、相干布居捕獲(CPT)和微加工等方面取得的一些進(jìn)展之上。從基礎(chǔ)研發(fā)(a-c)，到工程和原型設(shè)計(jì)(d-e)，到商業(yè)化產(chǎn)品的例子(f)，CSAC花了十多年的時(shí)間，在學(xué)術(shù)界、政府和產(chǎn)業(yè)界的協(xié)調(diào)下，持續(xù)投資了近1億美元。多個(gè)項(xiàng)目和行業(yè)合作伙伴關(guān)系為CSAC的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的組件技術(shù)和商業(yè)化，銷售量超過10萬。

2.原子干涉儀

用作重力儀和重力梯度儀的原子干涉儀有望用于火山學(xué)、地下水、礦藏、潮汐動(dòng)力學(xué)和冰層等地球科學(xué)研究。圖2顯示了原子干涉儀從發(fā)明到商業(yè)應(yīng)用的一些里程碑。原子干涉儀可能很快就能繪制地下結(jié)構(gòu)和空洞的地圖，并有可能用于車輛檢查和隧道探測(cè)；改進(jìn)的重力儀有可能降低土木工程和地質(zhì)調(diào)查的成本。

原子干涉儀在基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用包括萬有引力常數(shù)(大G)的測(cè)量、等效原理(自由落體的普遍性)的測(cè)試、毫米級(jí)的引力測(cè)量、暗物質(zhì)粒子的搜索以及引力波探測(cè)的可能替代方法。