美國國家科學和技術委員會(NSTC)量子信息科學小組委員會(SCQIS)近日發(fā)布了名為《將量子傳感器付諸實踐》的報告，通過擴展量子信息科學(QIS)國家戰(zhàn)略概述中的政策主題，增強了QIS國家戰(zhàn)略。

報告概述

量子傳感器和測量設備提供精確性、穩(wěn)定性和新功能，為商業(yè)、政府和科學應用提供優(yōu)勢。例如用于全球定位系統(tǒng)(GPS)導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，對社會產(chǎn)生了變革性影響。在不久的將來，量子信息科學與技術(QIST)可以實現(xiàn)新一代類似的變革傳感器。

產(chǎn)業(yè)界、學術界和政府部門之間的合作可以促進必要的科學和工程進步，為此，報告提出了一些建議，以協(xié)調(diào)研發(fā)并促進量子傳感器的有效應用。國家科學技術委員會量子信息科學小組委員會(SCQIS)應利用其機構間工作組，促進以下建議的適當實施：

1.領導QIST研發(fā)的機構應該加快開發(fā)新的量子傳感方法，優(yōu)先考慮與最終用戶建立適當?shù)幕锇殛P系，以提高新量子傳感器的技術成熟度；

2.使用傳感器的機構應該進行可行性研究，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；

3.支持研發(fā)工程的機構應該開發(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器件，以促進量子技術的發(fā)展并擴大規(guī)模經(jīng)濟；

4.各機構應該簡化技術轉讓和收購的流程，以鼓勵量子傳感器技術的開發(fā)和早期采用。

這些建議以美國《量子信息科學國家戰(zhàn)略概覽》和《國家量子倡議(NQI)》法案為基礎，加強了美國的QIST戰(zhàn)略。其長期目標是通過量子技術的發(fā)展促進經(jīng)濟機會、安全應用和科學進步。在近中期，即未來1-8年，根據(jù)這些建議采取行動將加速實現(xiàn)量子傳感器所需的關鍵發(fā)展。

什么是量子傳感器？

量子傳感器(Quantum Sensors)是利用量子力學特性(如原子能級、光子態(tài)或基本粒子的自旋)進行計量的設備?？蔀榭茖W、技術和工業(yè)提供精密測量技術。量子傳感器在不同領域均有影響：定位、導航、計時、本地和遠程、生物醫(yī)學、化學和材料科學、基礎物理學和宇宙學。

表1 五類主要量子傳感器

1.原子鐘

原子鐘是GPS導航的關鍵。當標準GPS信號不可用時，使用原子鐘輔助網(wǎng)絡和高精度時間傳輸協(xié)議可以為導航系統(tǒng)提供彈性。原子鐘目前支持互聯(lián)網(wǎng)和手機通信，是安全或高帶寬應用所必需的。地質(zhì)學、地震學、石油勘探、電網(wǎng)運營和金融服務業(yè)已經(jīng)受益于芯片級原子鐘(CSAC)。

圖1 第一代芯片級原子鐘(CSAC)的發(fā)展時間表

芯片級原子鐘(CSAC)計劃由美國國防部高級研究計劃局(DARPA)發(fā)起，在2001年NIST研討會的推動下，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展之上。從基礎研發(fā)(a-c)，到工程和原型設計(d-e)，到商業(yè)化產(chǎn)品的例子(f)，CSAC花了十多年的時間，在學術界、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。多個項目和行業(yè)合作伙伴關系為CSAC的發(fā)展做出了貢獻，實現(xiàn)關鍵的組件技術和商業(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、地下水、礦藏、潮汐動力學和冰層等地球科學研究。圖2顯示了原子干涉儀從發(fā)明到商業(yè)應用的一些里程碑。原子干涉儀可能很快就能繪制地下結構和空洞的地圖，并有可能用于車輛檢查和隧道探測；改進的重力儀有可能降低土木工程和地質(zhì)調(diào)查的成本。

原子干涉儀在基礎物理學領域的應用包括萬有引力常數(shù)(大G)的測量、等效原理(自由落體的普遍性)的測試、毫米級的引力測量、暗物質(zhì)粒子的搜索以及引力波探測的可能替代方法。