2022量子精密测量产业发展报告.pdf
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1、i2022全球量子精密测量产业发展报告GlobalGlobal QuantumQuantum MetrologyMetrology andand SensingSensing IndustryIndustry DevelopmentDevelopmenti量子精密测量是量子信息技术的三大分支之一,另两大分支为量子通信和量子计算。量子精密测量作为整体来看,其产业化进程较量子计算产业和量子通信产业发展最快,例如原子钟作为量子精密测量领域的产品,已非常成熟。由于量子精密测量包含多个细分领域,与量子计算和量子通信较为集中的领域相比,显得更为分散,因此,其关注度和知悉度较量子计算和量子通信低,未受到较高
2、的集中关注。但是,量子精密测量技术对科技进步和社会发展具有重大意义,量子精密测量的各类产品惠及基础科学研究和生产生活的方方面面。在美国、中国、欧盟等国家和地区,量子精密测量已作为战略层面的发展政策,受到政府支持。同时,已有多家科技公司,推出适用于多个场景的量子精密测量产品,以及在全球多个实验室中,一些被证明有价值的原型机,这让量子精密测量领域值得受到更高的关注。ICV 联合光子盒全球发布2022 全球量子精密测量产业发展报告,对未来中短期量子精密测量领域发展进行多方面预测和展望。本报告主要以 2021 年 1 月至 2022 年 4 月为主要观察期,追踪各主要量子精密测量技术国家的动态发展。I
3、CV 前沿科技咨询总监、高级副总裁:Jude GreenForewordii本报告由全球前沿科技咨询机构 ICV 与光子盒联合出品。同时,感谢AOSense、Bruker、CAS COLD ATOM(中科酷原)、CETC(中国电科)、CIQTEK(国仪量子)、Muquans、Oxford Instruments(牛津仪器)、Quantum CTek(国盾量子)、ZWDX(中微达信)等公司给予技术和素材方面的支持。2022 量子精密测量产业发展报告编写组2022 年 5 月 11 日鸣谢鸣谢(以下顺序按公司英文名称首字母排列,排名不分先后)Acknowledgementsiii第一章第一章.1
4、1量子精密测量概述及最新进展量子精密测量概述及最新进展.1 1一、量子精密测量的由来.2二、量子精密测量的物理实现方式.3三、量子精密测量的学术进展概况.4第二章第二章.7 7量子精密测量典型产品及应用量子精密测量典型产品及应用.7 7一、时间测量.8二、重力测量.10三、量子导航.11四、磁场测量.12五、量子探测成像.15六、总结与观点.16第三章第三章.1818主要科技国量子精密测量战略规划主要科技国量子精密测量战略规划.1818一、北美.19二、欧洲.21三、亚洲.24四、总结与观点.27第四章第四章.2929量子精密测量产业链量子精密测量产业链.2929一、量子精密测量产业生态概况.
5、30二、产业链主要市场参与者概况.33三、量子精密测量典型企业简介.34第五章第五章.4545量子精密测量投融资及发展预测量子精密测量投融资及发展预测.4545一、投融资情况.46二、市场预测.50三、未来趋势及建议.53关于我们关于我们.5757iv表 1 主要的量子传感器技术体系.3表 2 量子精密测量近期学术进展.4表 3 美国涉及量子精密测量的主要报告.19表 4 美国主要量子精密测量研究机构.19表 5 加拿大主要量子精密测量研究项目.20表 6 加拿大主要量子精密测量研究机构.21表 7 德国主要量子精密测量研究项目.22表 8 法国主要量子精密测量研究项目.23表 9 中国主要量
6、子精密测量研究机构.25表 10 日本 Q-LEAP 量子精密测量的旗舰项目.26表 11 日本 Q-LEAP 量子精密测量的基础研究.27表 12 成都天奥电子股份有限公司原子钟产品.42表 13 量子精密测量领域涉及的公司获得资金投入情况.46v图 1 量子精密测量重要发展节点.2图 2 量子精密测量过程示意图.3图 3 美国 DARPA 和 NIST 芯片级时钟部件展示.10图 4 M Squared 公司研发的冷原子量子加速度计.12图 5 Cerca Magnetics 公司研发的可穿戴 OPM.14图 6 一种用于生命科学领域的金刚石氮空位色心磁力计原型.15图 7 量子精密测量产
7、业生态.30图 8 量子重力仪外观对比图.32图 9 量子精密测量主要市场参与者分布.34图 10 Geometrics 公司产品图.34图 11 芯片级原子钟示意图.35图 12 ColdQuanta 公司原子钟产品图.36图 13 Quspin 公司磁力计产品图.36图 14 Qnami 公司 ProteusQ 量子显微镜系统产品图.39图 15 JEOL 公司 ESR 和 SEM 示意图.40图 16 HAMAMATSU 公司产品示意图.40图 17 国仪量子公司产品图.41图 18 成都中微达信科技有限公司芯片级分子钟原型产品.43图 19 2017-2022 年全球量子精密测量公司融
8、资轮次分布.48图 20 2017-2022 年不同国家量子精密测量行业融资情况.49图 21 2017-2022 年全球量子精密测量细分领域的融资分布情况.49图 22 全球量子精密测量市场规模预测(2019-2029E).50图 23 全球量子精密测量市场份额预测(按产品技术领域划分).51图 24 全球量子精密测量市场份额预测(按地理划分).522022 量子精密测量产业发展报告1子精密测量是量子信息科技领域全球公认的三大发展方向之一。当前各类国家政策、报告等文献中因各国技术专长领域不同、语言不同等因素,导致出现多个不同的名称,本文将以“量子精密测量”指代这一技术和应用领域。例如,美国2
9、022 年发布的将量子传感器付诸实践中,将这一领域称为“Quantum sensors and measurement devices(量子传感器和测量设备)”;英国 2020 年发布的NQTP 计划中,将这一领域称为“Quantum imaging,and quantum sensing and timing(量子成像、量子传感和计时)”;德国 2021 年发布的量子系统议程 2030中,将这一领域称为“Quantenmesstechnik und Sensorsysteme(量子测量技术和传感器系统)”。综合来说,这一领域是基于量子力学原理的新一代精密测量方式或仪器设备的统称。当前绝大多数
10、精密测量是基于经典力学原理,仍有测不准、无法测等局限性。本章首先简要回顾量子精密测量的由来和发展,介绍量子精密测量基本过程,将量子精密测量的物理实现方式(即技术路线)进行简单整理,最后罗列了近一年多学术领域取得的重要成果。量2一、一、量子精密测量量子精密测量的的由来由来量子精密测量是对物理量的高精度、高灵敏度的测量方法和技术应用,目标是实现单量子水平的极限探测、精准操控和综合应用。精密测量是获取物理量信息的源头,随着量子光学、原子物理学等领域的发展,诺贝尔物理学奖成果的推动,以及国际计量单位 7 个基本物理量实现“量子化”,精密测量已经进入量子时代。图 1 量子精密测量重要发展节点1997 年
11、原子激光冷却2001 年玻色-爱因斯坦凝聚态2005 年量子光学频率梳2012 年单量子设备操控2019 年7 个国际基本计量单位“量子化”与量子精密测量相关的诺贝尔物理学奖7 个基本物理量:时间单位秒(s)、长度单位米(m)、质量单位千克(kg)、热力学温度开尔文(K)、电流单位安培(A)、发光强度单位坎德拉(cd)和物质的量单位摩尔(mol)基本方法基本方法利用量子特性,电磁场、温度、压力等外界环境直接与电子、光子、声子等体系发生相互作用并改变它们的量子状态,对这些变化后的量子态进行检测量子特性量子特性能级跃迁、相干叠加、量子纠缠技术优势技术优势与经典力学测量技术相比,达到海森堡极限,达到
12、精度高、效率高、准确性高、抵抗一些特定噪声的干扰等理论依据理论依据经典测量精度极限为散粒噪声极限,量子测量精度可高于散粒噪声极限,达到海森堡极限(正比于 1/N,N 为单次测量所使用的光子或原子等的数目,而经典极限仅正比与 1/N)测量工具测量工具原子、分子、离子、光子(单光子、纠缠光子对)常见指标常见指标灵敏度、动态范围、采样率、工作温度等待测量待测量磁场、电场、旋转、时间、力、温度、光子计数等量子精密测量技术要求拥有对量子态进行操控和测量的能力,利用量子态进行信息处理、传递和传感。测量过程中的几个重要环节是:通过控制信号将量子体系调控到特定的初始化状态,与待测物理量相互作用后会导致量子体系
13、的量子2022 量子精密测量产业发展报告3态发生变化,直接或间接测量最终的量子态,再将测量结果处理转换成传统信号输出,获取测量值。图 2 量子精密测量过程示意图来源:量子传感的导航应用研究现状与展望,空军工程大学学报,2021 年 12 月二、二、量子量子精密测量精密测量的的物理实现方式物理实现方式量子精密测量的实用化产品是量子传感器。量子传感器可以产生关于电信号、磁异常和惯性导航的非常精确的信息。传感器背后的量子技术物理实现方式目前主要有以下五种。一种物理实现方式可以为不同的被测物理量提供技术支撑,例如,冷原子干涉可以用于测量磁场、惯性、时间。在实际应用中,可能需要不同的技术进行组合,达到最
14、佳效用,例如,量子惯性导航由加速度计、陀螺仪、原子钟三种不同类型的传感器组成。表 1 主要的量子传感器技术体系量子系统量子系统原理原理待测量待测量应用举例应用举例冷原子干涉在极低温环境下的原子表现出类似波的行为,并对所有与其质量相互作用的力都很敏感磁场、惯性、时间在重力测量中,可以非常详细地绘制地球表面和地下的地图,分辨率为厘米级离子阱控制良好的离子阱形成具有量子化运动模式的晶体,任何干扰都可以通过这些模式之间的转换来测量电场、磁场、惯性、时间对于惯性导航,在一、二、三维阵列中捕获的冷原子的光学晶格技术可能提供亚厘米级的大小金刚石氮空位(NV)色心NV色心作为电子自旋量子比特与外部磁场耦合;使
15、用Berry相位带负电荷的NV色心可以测量旋转电场、磁场、旋转、温度、压力在空间分辨率和灵敏度上具有优势;可在室温或更高温度下工作,成本低;允许同时测量磁力、加速度、速度、旋转或重力的三个待测量超导电路基于约瑟夫森效应的超导电路技术描述了两个超导体之间的量子隧穿电场、磁场需要低温环境;允许在宏观尺度上制造量子系统,并且可通过微波信号进行有效控制4效应原子蒸气自旋极化高密度原子蒸汽在外部磁场下经历状态转变,可通过光学方式测量磁场、旋转、时间可在室温部署;基于原子集合的原子蒸汽电池磁力计有可能优于SQUID磁力计并在室温下工作三、量子精密测量的学术进展概况三、量子精密测量的学术进展概况本节进展主要
16、关注学术领域,观察期为 2021 年 1 月至 2022 年 4 月。总结来看,学术进展类型多样化,内容涉及精度提高、新技术探寻、技术应用验证等。收录的 20 条学术进展中,涉及时间(原子钟、光钟、时频)的有 4 条;涉及生物医疗(视网膜、脑磁图、新冠病毒检测、细胞荧光标记)的有 4 条;涉及金刚石氮空位色心的有 3 条,其中 1 条为医疗中的新冠病毒检测;其余进展涉及海森堡极限、新方法提高灵敏度、原子探测、量子气体成像、原子蒸汽、核磁共振、重力梯度仪、光腔等。表 2 量子精密测量近期学术进展时间时间国家国家研究主体研究主体主要进展主要进展2021.01中国中国科学技术大学、香港中文大学研究人
17、员在实验中完全消除了量子比特演化过程中三个待测参数之间的精度制衡,同时实现三个参数达到海森堡极限精度的测量,测量精度比经典方法 提 高 了 13.27dB。该 研 究 发 表 在 ScienceAdvances。2021.03美国美国国家标准与技术研究院研究人员部署了一个三种原子钟组成的网络,将这些原子钟分别放置在科罗拉多州博尔德市多个点位,比较其在2017年11月至2018年6月间各自的频率比值,获得的测量精度范围可达到小数点后18位。这次报道的测量结果是频率比值不确定度首次小于小数点后17位。该研究发表在Nature。2021.04中国北京量子科学研究院研究人员通过在回音壁模式光学微腔体系
18、中引入对向传输模式间的单向耦合,首次在实验上实现了光学模式的奇异面,并由此提高微扰传感的灵敏度。该方案利用反馈光纤波导和光隔离器,完成微球腔内顺时针传输模式到逆时针传输模式的单向非对称耦合,将系统制备于奇异面上,通过模式劈裂来探测微扰,适用于多种实验耦合情况,利用奇异面实现探测的高灵敏度。该研究发表在Laser&Photonics Reviews。2021.04中国中国科学技术大学研究人员实现长距离大损耗自由空间高精度时间频率传递实验,在大气噪声、链路损耗、传输延迟效应等多角度仿真了高轨卫星星地高精度时频传递,验证了基于中高轨卫星实现万秒E-18量级稳定度的星地时频传递的可行性,为未来空间光频
19、标科2022 量子精密测量产业发展报告5学实验和洲际光钟频率传递和比对奠定了基础。该研究发表在Optics。2021.07中国中国科学技术大学研究人员运用全光激发实现了对极其稀有同位素氪-81的单原子探测,这一量子精密测量方法的突破将助力于地球与环境科学研究。该研究发表在Physical Review Letters。2021.08中国中国科学院微观磁共振重点实验室研究人员利用基于金刚石固态单自旋体系在室温大气环境下实现了突破标准量子极限的磁测量。该研究发表在Science Advances。2021.09中国中科院微观磁共振重点实验室研究人员提出并通过实验实现了一种以金刚石氮空位色心单自旋为
20、量子传感器的电探测方法,并通过磁抑制的氮空位色心实现了金刚石近表面电噪声信息的提取,为金刚石量子传感器在电探测方向的应用提供新的途径。该研究发表在PhysicalReview Letters。2021.11多国中国科学技术大学、德国亥姆霍兹研究所研究人员利用气态氙和铷原子混合蒸气室,实现了新型核自旋磁传感器,用于暗物质的实验直接搜寻,实验结果比先前国际最好水平提升至少5个数量级,首次突破国际公认最强的宇宙天文学界限。该研究发表在Nature Physics。2021.11中国中国科学院微观磁共振重点实验室、华中科技大学研究人员在超辐射相变量子模拟的实验中,通过引入反压缩操作,借助于高精度的量子
21、控制技术,首次成功地在核磁共振量子模拟器上实验实现了超越No-go定理的平衡态超辐射相变,推动了量子相变理论和量子模拟领域的发展,为量子精密测量提供 了 新 的 途 径。该 研 究 发 表 在 NatureCommunications。2021.11丹麦奥胡斯大学研究人员利用光泵磁力仪对视网膜进行诊断,有望取代纤维电极和隐形眼镜电极,提供舒适的非接触式 临 床 视 网 膜 扫 描 系 统。该 研 究 发 表 在NeuroImage。2021.12中国南京大学现代工程与应用科学学院、之江实验室研究人员利用量子系统具有时间对称性的双态矢量描述,对前、后选择的量子系统进行弱测量,将广义测量结果弱值与
22、实现后选择过程的量子精密测量算符建立对应关系,通过提取不同可观测量的弱值实现对量子精密测量直接表征,该方法被称为直接量子探测器层析(DQDT)。该研究发表在Physical Review Letters。2021.07俄罗斯俄罗斯量子中心、斯科尔科沃科学技术研究所研究人员开发出基于钇铁石榴石薄膜(YIGM)的新型磁通门脑磁图传感器,能够记录大脑中非常弱或深的电源。由于其宽动态范围,该设备需要较少的磁屏蔽,意味着硬件和整个研究基础设施的成本都较低。该研究发表在Human Brain Mapping。2021.11德国汉堡大学研究人员开创了一种新的量子气体成像方法,可以精确测量原子数量、原子之间的
23、关联和形成图样。该研究发表在Nature。2021.12多国麻省理工学院、滑铁卢大学研究人员利用金刚石氮空位色心,设计出一种量子磁场测量传感器,有望更块、更准确地检测新型冠状病毒。该研究发表在Nano Letters。2022.01美国加利福尼亚大学研究人员建立并运行了一个包含单个捕获的镭2266圣巴巴拉分校离子的光学时钟。该研究发表在Physical ReviewLetters。2022.02多国欧洲光学研究所(ICFO)、阿尔托大学研究人员使用仅比绝对零度高几十亿分之一度的原子检测到任何其他现有传感器技术都无法检测到的磁信号,首次实现了超过能量分辨率极限。该研究发表在PNAS。2022.0
24、2英国伯明翰大学、国防科学与技术实验室、Teledynee2v研究人员建造了世界上第一个在实验室条件之外的量子重力梯度仪。通过实现实用的量子重力梯度传感器克服了振动噪声限制,抑制了微震和激光噪声、热和磁场变化以及仪器倾斜的影响。传感器参数适用于测绘含水层和评估对地下水位的影响、考古学、土壤特性和含水量的测定。该研究发表在Nature。2022.02美国威斯康星大学麦迪逊分校研究人员创造了多路复用光学时钟的第一个例子,锶原子可以被分成多个时钟,在同一个真空室中排列成一条线。当它们同时将激光照射在室内的两个时钟上并进行比较时,两个时钟之间具有激发电子的原子数量保持不变长达26秒,时间比激光在正常光
25、学时钟中允许的时间长得多。这一设计使团队能够测试寻找引力波的方法,尝试探测暗物质。该研究发表在Nature。2022.03多国北京量子信息科学研究院、乌尔姆大学、图尔大学、德累斯顿工业大学、马斯克普朗克研究所、俄罗斯科学院、莫斯科国立大学研究人员通过高温高压方法制备出含高浓度SiV色心的微米、纳米金刚石颗粒,通过研磨、酸洗、有机分子涂层等步骤,制备出适合于细胞内进行荧光标记,成功观测到SiV纳米金刚石被Hela细胞吸收;还实现了单个纳米金刚石的细胞内运动轨迹追踪,并进行了零声子线光谱追踪测量。研究表明,通过测量纳米金刚石SiV色心的零声子线的光谱频移,可用于温度传感。该研究发表在Nano Le
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