◎ 策劃丨趙英淑 滕繼濮

6月9日，安徽省科技廳揭曉2024年度安徽省十大標桿示范場(chǎng)景，合肥候店量子應用示范變電站入選。

這是世界首座220千伏量子應用示范變電站，部署了全球首臺基于量子精密測量（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“量子測量"）技術(shù)的電流互感器。該互感器體積僅為傳統設備十分之一，測量精度卻能實(shí)現量級躍升，很好詮釋了量子科技“小身材、大能量"的優(yōu)勢。

國家電網(wǎng)公司220千伏合肥候店量子應用示范變電站。周健 攝

量子測量打破了經(jīng)典測量的精度桎梏，拓展了物理信息感知維度，與量子通信、量子計算共同構筑起量子信息技術(shù)的三大支柱。

近年來(lái)，我國在量子測量領(lǐng)域持續發(fā)力，在原子鐘技術(shù)、量子重力儀、量子磁力計、金剛石NV色心技術(shù)、里德堡原子技術(shù)等核心器件研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面取得了突破性進(jìn)展，成為國際量子科技競爭版圖中的關(guān)鍵力量。

我國量子測量技術(shù)目前處于什么階段，已應用于哪些場(chǎng)景，如何在全球競速賽道上實(shí)現突破？帶著(zhù)這些問(wèn)題，近日科技日報記者深入行業(yè)一線(xiàn)，展開(kāi)了采訪(fǎng)。

“后進(jìn)生"的追趕超越

“這款傳感器采用金剛石氮—空位色心量子傳感技術(shù)，是目前人類(lèi)能制造的最小的傳感器之一，具有納米級空間分辨率，可應用于芯片無(wú)損檢測等領(lǐng)域。"5月18日，在第四屆量子科儀節上，國儀量子技術(shù)（合肥）股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國儀量子"）技術(shù)負責人許克標展示了一款鉆石單自旋傳感器，它以顛覆性尺度拓展了量子傳感技術(shù)的應用邊界。

鉆石單自旋傳感器?？萍既請笥浾?洪敬譜 攝

“量子傳感技術(shù)發(fā)展歷史悠久，目前相關(guān)技術(shù)已成熟，部分技術(shù)已開(kāi)始應用。"許克標在接受記者采訪(fǎng)時(shí)表示，早在20世紀40年代，國外研制的原子鐘便開(kāi)啟了量子測量的實(shí)用化進(jìn)程。如今，全球定位系統（GPS）的納秒級授時(shí)、5G網(wǎng)絡(luò )的同步校準，都離不開(kāi)原子鐘這一“時(shí)間量子傳感器"的關(guān)鍵支撐。

許克標介紹，從技術(shù)成熟度角度來(lái)看，目前，原子鐘、核磁共振、原子磁力儀、超導干涉磁力儀等量子測量設備的發(fā)展歷史更為悠久，技術(shù)成熟度也更高。而像原子干涉重力儀、NV 色心磁力計、里德堡原子電場(chǎng)測量等，則屬于量子測量設備領(lǐng)域的新興發(fā)展方向，展現出巨大的技術(shù)潛力和發(fā)展空間。

安徽省量子精密測量技術(shù)制造業(yè)創(chuàng )新中心主任、國儀量子董事長(cháng)賀羽對記者說(shuō)，早在20世紀60年代，我國就開(kāi)始探索以原子鐘為主的時(shí)間頻率標準測定技術(shù)，并于1965年成功研制出我國第一臺原子鐘，為國防、航天、通信、計量等事業(yè)作出了重要貢獻。

盡管我國量子測量技術(shù)起步稍晚，算是“后進(jìn)生"，但近年來(lái)已進(jìn)入快速發(fā)展期，涌現出一批高水平科技成果。尤其是2015年，我國量子測量技術(shù)取得了重大突破：中國科學(xué)院院士、時(shí)任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院執行院長(cháng)杜江峰團隊使用金剛石量子測量方法，測得國際首張單蛋白質(zhì)分子的電子順磁共振譜。這項成果在《科學(xué)》雜志發(fā)表后，引起全球轟動(dòng)。

2016年，國儀量子正式成立。該公司脫胎于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技成果轉化項目，是國內首家以量子精密測量技術(shù)為核心的先進(jìn)測量技術(shù)企業(yè)。此后，該公司陸續研制出國內首臺商用脈沖式電子順磁共振譜儀、全球首款面向大眾的金剛石量子計算教學(xué)機、國內首臺量子鉆石原子力顯微鏡等，并自主研發(fā)出量子鉆石單自旋譜儀、量子自旋磁力儀、微波場(chǎng)強儀等多款量子測量?jì)x器裝備。

近年來(lái)，國內從事量子測量技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)如雨后春筍般涌現，產(chǎn)業(yè)化水平也隨之快速提升。

西安交通大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)院執行院長(cháng)、教授趙立波表示：“我國量子測量技術(shù)在時(shí)間、磁場(chǎng)、微波、轉動(dòng)角速度、電流、重力測量等細分領(lǐng)域，已處于世界領(lǐng)先或者同等水平。"

叩開(kāi)市場(chǎng)應用大門(mén)

伴隨著(zhù)量子測量技術(shù)的不斷成熟，我國多樣的應用場(chǎng)景正成為量子測量技術(shù)落地的天然試驗場(chǎng)。

在特高壓電網(wǎng)領(lǐng)域，技術(shù)與場(chǎng)景的深度耦合催生出世界級創(chuàng )新成果。2025年1月，由南方電網(wǎng)牽頭，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國電氣裝備西安西電高壓開(kāi)關(guān)有限責任公司等單位聯(lián)合研制的全球首套±800千伏特高壓直流量子電流傳感器成功落地，標志著(zhù)量子測量技術(shù)在電力系統實(shí)現應用。

“它就像給電網(wǎng)裝上了一雙‘透視眼’，既能看得遠，又能看得細。"中國電氣裝備西安西電高壓開(kāi)關(guān)有限責任公司副總經(jīng)理李強這樣形容這項成果。

此外，量子測量技術(shù)也已應用于礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域。“量子探礦技術(shù)的研究源于產(chǎn)業(yè)的巨大需求，涵蓋深?？碧?、深地勘探等多個(gè)領(lǐng)域。"中冶武勘量子探礦研究院院長(cháng)李海峰非?？春迷摷夹g(shù)的應用前景。

中冶武勘在使用量子重力儀探礦。圖片來(lái)源：中冶武勘

李海峰說(shuō)，在金屬礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域，傳統技術(shù)已接近瓶頸——500米以?xún)鹊牡V產(chǎn)資源幾乎已經(jīng)探明，隨著(zhù)勘探深度的加深，深部金屬礦產(chǎn)資源面臨“探不著(zhù)、測不準、效率低、成本高"等問(wèn)題。傳統技術(shù)難以滿(mǎn)足深部資源勘探需求。向深部進(jìn)軍是礦產(chǎn)勘探的必然趨勢，而量子探礦技術(shù)被認為是具有顛覆性的解決方案。

“2024年以來(lái)，我們利用量子重力儀、量子磁力儀和量子重力梯度儀等設備，開(kāi)始深部礦產(chǎn)高精度探測，已在多個(gè)礦山開(kāi)展測試驗證。"李海峰舉例說(shuō)，在中國五礦旗下的一座超大深度、超大規模礦山，利用量子重力儀和量子磁力儀進(jìn)行了測試，反演結果與實(shí)際勘探數據高度吻合，量子探礦技術(shù)體現了巨大的應用潛力。

作為我國能源運輸“主動(dòng)脈"，管道網(wǎng)絡(luò )承擔著(zhù)將95%以上油氣資源輸送至千家萬(wàn)戶(hù)的重任。目前，國內外主要通過(guò)管道內檢測機器人集成霍爾、渦流、超聲等傳感器，對管道進(jìn)行全面掃描，但微小裂紋和應力精準感知是技術(shù)難點(diǎn)，傳統檢測方法已接近技術(shù)天花板。

“量子測量技術(shù)在靈敏度和分辨率上具有顯著(zhù)優(yōu)勢，為油氣管道檢測提供了新方向。"國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司科學(xué)技術(shù)研究總院分公司高級工程師李睿說(shuō)。

從特高壓電網(wǎng)到油氣管道，量子測量技術(shù)正重塑工業(yè)安全監測范式。

“我國量子測量技術(shù)在2024年以前主要處于研發(fā)階段，真正叩開(kāi)市場(chǎng)大門(mén)就在近兩年。"賀羽說(shuō)，從國儀量子聯(lián)合政府部門(mén)舉辦的四屆量子科儀節主題的變化，就可以了解到量子測量從實(shí)驗場(chǎng)邁向應用場(chǎng)的歷程。

賀羽清晰記得，2022年首屆科儀節時(shí)，產(chǎn)業(yè)端尚無(wú)可落地的成熟產(chǎn)品，會(huì )場(chǎng)只能以量子測量基礎原理科普宣講為主。第二屆會(huì )議便轉向探索技術(shù)可能適配的應用場(chǎng)景。2024年的第三屆則開(kāi)始明確推介“哪些場(chǎng)景能用上"。而今年的第四屆科儀節，嘉賓演講中展示了許多場(chǎng)景應用實(shí)拍圖。

“這四年的變化，就如同孩子從蹣跚學(xué)步到穩健邁步。"賀羽說(shuō)，“等到明年第五屆科儀節，參會(huì )者一定會(huì )展示大量量子測量設備運行的實(shí)測數據。"

創(chuàng )新道阻且長(cháng)

在采訪(fǎng)過(guò)程中，多位專(zhuān)家向記者表示，盡管我國量子測量技術(shù)取得了關(guān)鍵性突破，但與先進(jìn)國家相比，在多個(gè)維度上仍存在很大追趕空間。

“我們的原創(chuàng )性理論研究仍顯不足，部分技術(shù)指標存在一定差距。"許克標說(shuō)。

趙立波也表達了類(lèi)似觀(guān)點(diǎn)：“尤其是那些商業(yè)化曙光尚未顯現的量子測量前沿領(lǐng)域，存在研發(fā)動(dòng)力不足的現象。"

此外，即便在已投入實(shí)際應用的量子測量設備領(lǐng)域，我國部分核心儀器與裝備的性能指標仍與國外先進(jìn)產(chǎn)品存在一定差距。這一現狀凸顯了加快自主創(chuàng )新、突破關(guān)鍵設備技術(shù)瓶頸的緊迫性。

在量子時(shí)頻標準（超高精度原子鐘）方面，我國研制的高精度光鐘，其穩定度和不確定度雖然已進(jìn)入10^-18量級，達到國際先進(jìn)水平，但性能指標仍然落后國際上最優(yōu)水平1—2個(gè)數量級。

在量子導航方面，我國研制的原子自旋陀螺原理樣機，其各項指標與國際最高指標相當，但系統集成和動(dòng)態(tài)測量落后于歐美。歐美研制的量子導航產(chǎn)品抗干擾能力更強，尤其在航空、海洋和地下場(chǎng)景表現突出。

如何推動(dòng)我國量子測量技術(shù)實(shí)現從跟跑到領(lǐng)跑的跨越？

在基礎研究方面，許克標認為，要深化量子測量基礎理論研究，力爭在原創(chuàng )性引領(lǐng)理論方面取得突破。他建議，重點(diǎn)培養跨學(xué)科復合型人才，尤其是物理、工程、材料等基礎領(lǐng)域與應用層的專(zhuān)業(yè)人才；同時(shí)，整合優(yōu)勢資源，強化重大科研領(lǐng)域的協(xié)同創(chuàng )新。

“國外在量子測量領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢，源于其對基礎科研長(cháng)期穩定的投入。"趙立波說(shuō)，量子技術(shù)的突破，本質(zhì)上源于人類(lèi)對量子物理的深刻認知和對微觀(guān)世界的探索，因此，我國在量子測量領(lǐng)域的基礎研究投入是十分必要的。

趙立波提出，我國也可借鑒國外構建科技創(chuàng )新生態(tài)的經(jīng)驗，積極探索產(chǎn)業(yè)轉化應用的體制機制，完善相關(guān)政策和法規。

趙立波進(jìn)一步說(shuō)道，量子傳感芯片技術(shù)作為量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應用的關(guān)鍵路徑，正成為全球量子科技發(fā)展的戰略制高點(diǎn)。將量子傳感技術(shù)與芯片工藝深度融合，實(shí)現規?；瘧?，體現了先進(jìn)制造技術(shù)在量子領(lǐng)域的高階應用價(jià)值?！拔覈诖朔较虻难邪l(fā)投入仍有較大提升空間，亟待加強資源傾斜和政策支持。當前歐美已有數十家頂尖機構布局相關(guān)研究，而我國在該領(lǐng)域的研究基礎相對薄弱。"他說(shuō)。

在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面，賀羽認為，量子科技企業(yè)應持續拓展應用場(chǎng)景。“企業(yè)要面向市場(chǎng)與用戶(hù)需求，進(jìn)行技術(shù)工程化產(chǎn)品化落地，找到技術(shù)與成本的平衡點(diǎn)。"賀羽說(shuō)，企業(yè)還要保持戰略定力，持續開(kāi)展核心部件、關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)迭代，不斷提升產(chǎn)品的技術(shù)指標與用戶(hù)體驗，建立產(chǎn)學(xué)研用的創(chuàng )新平臺，持續拓展應用場(chǎng)景，擴大市場(chǎng)規模。

“隨著(zhù)國家對量子科技的進(jìn)一步支持，我國量子測量行業(yè)一定會(huì )迎來(lái)更加廣闊的發(fā)展空間。"賀羽對量子測量的未來(lái)發(fā)展充滿(mǎn)信心。

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