6月9日，安徽省科技廳揭曉2024年度安徽省十大標(biāo)桿示范場(chǎng)景，合肥候店量子應(yīng)用示范變電站入選。
這是世界首座220千伏量子應(yīng)用示范變電站，部署了全球首臺(tái)基于量子精密測(cè)量（以下簡稱“量子測(cè)量”）技術(shù)的電流互感器。該互感器體積僅為傳統(tǒng)設(shè)備十分之一，測(cè)量精度卻能實(shí)現(xiàn)量級(jí)躍升，很好詮釋了量子科技“小身材、大能量”的優(yōu)勢(shì)。
量子測(cè)量打破了經(jīng)典測(cè)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(jì)算共同構(gòu)筑起量子信息技術(shù)的三大支柱。
近年來，我國在量子測(cè)量領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，在原子鐘技術(shù)、量子重力儀、量子磁力計(jì)、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(jìng)爭(zhēng)版圖中的關(guān)鍵力量。
我國量子測(cè)量技術(shù)目前處于什么階段，已應(yīng)用于哪些場(chǎng)景，如何在全球競(jìng)速賽道上實(shí)現(xiàn)突破？帶著這些問題，近日科技日?qǐng)?bào)記者深入行業(yè)一線，展開了采訪。
“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)，是目前人類能制造的最小的傳感器之一，具有納米級(jí)空間分辨率，可應(yīng)用于芯片無損檢測(cè)等領(lǐng)域。”5月18日，在第四屆量子科儀節(jié)上，國儀量子技術(shù)（合肥）股份有限公司（以下簡稱“國儀量子”）技術(shù)負(fù)責(zé)人許克標(biāo)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(yīng)用邊界。
“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)已開始應(yīng)用。”許克標(biāo)在接受記者采訪時(shí)表示，早在20世紀(jì)40年代，國外研制的原子鐘便開啟了量子測(cè)量的實(shí)用化進(jìn)程。如今，全球定位系統(tǒng)（GPS）的納秒級(jí)授時(shí)、5G網(wǎng)絡(luò)的同步校準(zhǔn)，都離不開原子鐘這一“時(shí)間量子傳感器”的關(guān)鍵支撐。
許克標(biāo)介紹，從技術(shù)成熟度角度來看，目前，原子鐘、核磁共振、原子磁力儀、超導(dǎo)干涉磁力儀等量子測(cè)量設(shè)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(jì)、里德堡原子電場(chǎng)測(cè)量等，則屬于量子測(cè)量設(shè)備領(lǐng)域的新興發(fā)展方向，展現(xiàn)出巨大的技術(shù)潛力和發(fā)展空間。
安徽省量子精密測(cè)量技術(shù)制造業(yè)創(chuàng)新中心主任、國儀量子董事長賀羽對(duì)記者說，早在20世紀(jì)60年代，我國就開始探索以原子鐘為主的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定技術(shù)，并于1965年成功研制出我國第一臺(tái)原子鐘，為國防、航天、通信、計(jì)量等事業(yè)作出了重要貢獻(xiàn)。
盡管我國量子測(cè)量技術(shù)起步稍晚，算是“后進(jìn)生”，但近年來已進(jìn)入快速發(fā)展期，涌現(xiàn)出一批高水平科技成果。尤其是2015年，我國量子測(cè)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(zhí)行院長杜江峰團(tuán)隊(duì)使用金剛石量子測(cè)量方法，測(cè)得國際首張單蛋白質(zhì)分子的電子順磁共振譜。這項(xiàng)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(zhuǎn)化項(xiàng)目，是國內(nèi)首家以量子精密測(cè)量技術(shù)為核心的先進(jìn)測(cè)量技術(shù)企業(yè)。此后，該公司陸續(xù)研制出國內(nèi)首臺(tái)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(jì)算教學(xué)機(jī)、國內(nèi)首臺(tái)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(qiáng)儀等多款量子測(cè)量儀器裝備。
近年來，國內(nèi)從事量子測(cè)量技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn)，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(zhí)行院長、教授趙立波表示：“我國量子測(cè)量技術(shù)在時(shí)間、磁場(chǎng)、微波、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、電流、重力測(cè)量等細(xì)分領(lǐng)域，已處于世界領(lǐng)先或者同等水平。”
叩開市場(chǎng)應(yīng)用大門
伴隨著量子測(cè)量技術(shù)的不斷成熟，我國多樣的應(yīng)用場(chǎng)景正成為量子測(cè)量技術(shù)落地的天然試驗(yàn)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(jí)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關(guān)有限責(zé)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(biāo)志著量子測(cè)量技術(shù)在電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。
“它就像給電網(wǎng)裝上了一雙‘透視眼’，既能看得遠(yuǎn)，又能看得細(xì)。”中國電氣裝備西安西電高壓開關(guān)有限責(zé)任公司副總經(jīng)理李強(qiáng)這樣形容這項(xiàng)成果。
此外，量子測(cè)量技術(shù)也已應(yīng)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，涵蓋深海勘探、深地勘探等多個(gè)領(lǐng)域。”中冶武勘量子探礦研究院院長李海峰非常看好該技術(shù)的應(yīng)用前景。
李海峰說，在金屬礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域，傳統(tǒng)技術(shù)已接近瓶頸——500米以內(nèi)的礦產(chǎn)資源幾乎已經(jīng)探明，隨著勘探深度的加深，深部金屬礦產(chǎn)資源面臨“探不著、測(cè)不準(zhǔn)、效率低、成本高”等問題。傳統(tǒng)技術(shù)難以滿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(shì)，而量子探礦技術(shù)被認(rèn)為是具有顛覆性的解決方案。
“2024年以來，我們利用量子重力儀、量子磁力儀和量子重力梯度儀等設(shè)備，開始深部礦產(chǎn)高精度探測(cè)，已在多個(gè)礦山開展測(cè)試驗(yàn)證。”李海峰舉例說，在中國五礦旗下的一座超大深度、超大規(guī)模礦山，利用量子重力儀和量子磁力儀進(jìn)行了測(cè)試，反演結(jié)果與實(shí)際勘探數(shù)據(jù)高度吻合，量子探礦技術(shù)體現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。
作為我國能源運(yùn)輸“主動(dòng)脈”，管道網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著將95%以上油氣資源輸送至千家萬戶的重任。目前，國內(nèi)外主要通過管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人集成霍爾、渦流、超聲等傳感器，對(duì)管道進(jìn)行全面掃描，但微小裂紋和應(yīng)力精準(zhǔn)感知是技術(shù)難點(diǎn)，傳統(tǒng)檢測(cè)方法已接近技術(shù)天花板。
“量子測(cè)量技術(shù)在靈敏度和分辨率上具有顯著優(yōu)勢(shì)，為油氣管道檢測(cè)提供了新方向。”國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究總院分公司高級(jí)工程師李睿說。
從特高壓電網(wǎng)到油氣管道，量子測(cè)量技術(shù)正重塑工業(yè)安全監(jiān)測(cè)范式。
“我國量子測(cè)量技術(shù)在2024年以前主要處于研發(fā)階段，真正叩開市場(chǎng)大門就在近兩年。”賀羽說，從國儀量子聯(lián)合政府部門舉辦的四屆量子科儀節(jié)主題的變化，就可以了解到量子測(cè)量從實(shí)驗(yàn)場(chǎng)邁向應(yīng)用場(chǎng)的歷程。
賀羽清晰記得，2022年首屆科儀節(jié)時(shí)，產(chǎn)業(yè)端尚無可落地的成熟產(chǎn)品，會(huì)場(chǎng)只能以量子測(cè)量基礎(chǔ)原理科普宣講為主。第二屆會(huì)議便轉(zhuǎn)向探索技術(shù)可能適配的應(yīng)用場(chǎng)景。2024年的第三屆則開始明確推介“哪些場(chǎng)景能用上”。而今年的第四屆科儀節(jié)，嘉賓演講中展示了許多場(chǎng)景應(yīng)用實(shí)拍圖。
“這四年的變化，就如同孩子從蹣跚學(xué)步到穩(wěn)健邁步。”賀羽說，“等到明年第五屆科儀節(jié)，參會(huì)者一定會(huì)展示大量量子測(cè)量設(shè)備運(yùn)行的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。”
創(chuàng)新道阻且長
在采訪過程中，多位專家向記者表示，盡管我國量子測(cè)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(biāo)存在一定差距。”許克標(biāo)說。
趙立波也表達(dá)了類似觀點(diǎn)：“尤其是那些商業(yè)化曙光尚未顯現(xiàn)的量子測(cè)量前沿領(lǐng)域，存在研發(fā)動(dòng)力不足的現(xiàn)象。”
此外，即便在已投入實(shí)際應(yīng)用的量子測(cè)量設(shè)備領(lǐng)域，我國部分核心儀器與裝備的性能指標(biāo)仍與國外先進(jìn)產(chǎn)品存在一定差距。這一現(xiàn)狀凸顯了加快自主創(chuàng)新、突破關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)瓶頸的緊迫性。
在量子時(shí)頻標(biāo)準(zhǔn)（超高精度原子鐘）方面，我國研制的高精度光鐘，其穩(wěn)定度和不確定度雖然已進(jìn)入10-18量級(jí)，達(dá)到國際先進(jìn)水平，但性能指標(biāo)仍然落后國際上最優(yōu)水平1—2個(gè)數(shù)量級(jí)。
在量子導(dǎo)航方面，我國研制的原子自旋陀螺原理樣機(jī)，其各項(xiàng)指標(biāo)與國際最高指標(biāo)相當(dāng)，但系統(tǒng)集成和動(dòng)態(tài)測(cè)量落后于歐美。歐美研制的量子導(dǎo)航產(chǎn)品抗干擾能力更強(qiáng)，尤其在航空、海洋和地下場(chǎng)景表現(xiàn)突出。
如何推動(dòng)我國量子測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)從跟跑到領(lǐng)跑的跨越？
在基礎(chǔ)研究方面，許克標(biāo)認(rèn)為，要深化量子測(cè)量基礎(chǔ)理論研究，力爭(zhēng)在原創(chuàng)性引領(lǐng)理論方面取得突破。他建議，重點(diǎn)培養(yǎng)跨學(xué)科復(fù)合型人才，尤其是物理、工程、材料等基礎(chǔ)領(lǐng)域與應(yīng)用層的專業(yè)人才；同時(shí)，整合優(yōu)勢(shì)資源，強(qiáng)化重大科研領(lǐng)域的協(xié)同創(chuàng)新。
“國外在量子測(cè)量領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，源于其對(duì)基礎(chǔ)科研長期穩(wěn)定的投入。”趙立波說，量子技術(shù)的突破，本質(zhì)上源于人類對(duì)量子物理的深刻認(rèn)知和對(duì)微觀世界的探索，因此，我國在量子測(cè)量領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究投入是十分必要的。
趙立波提出，我國也可借鑒國外構(gòu)建科技創(chuàng)新生態(tài)的經(jīng)驗(yàn)，積極探索產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化應(yīng)用的體制機(jī)制，完善相關(guān)政策和法規(guī)。
趙立波進(jìn)一步說道，量子傳感芯片技術(shù)作為量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵路徑，正成為全球量子科技發(fā)展的戰(zhàn)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(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，體現(xiàn)了先進(jìn)制造技術(shù)在量子領(lǐng)域的高階應(yīng)用價(jià)值。“我國在此方向的研發(fā)投入仍有較大提升空間，亟待加強(qiáng)資源傾斜和政策支持。當(dāng)前歐美已有數(shù)十家頂尖機(jī)構(gòu)布局相關(guān)研究，而我國在該領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。”他說。
在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面，賀羽認(rèn)為，量子科技企業(yè)應(yīng)持續(xù)拓展應(yīng)用場(chǎng)景。“企業(yè)要面向市場(chǎng)與用戶需求，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，企業(yè)還要保持戰(zhàn)略定力，持續(xù)開展核心部件、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(biāo)與用戶體驗(yàn)，建立產(chǎn)學(xué)研用的創(chuàng)新平臺(tái)，持續(xù)拓展應(yīng)用場(chǎng)景，擴(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模。
“隨著國家對(duì)量子科技的進(jìn)一步支持，我國量子測(cè)量行業(yè)一定會(huì)迎來更加廣闊的發(fā)展空間。”賀羽對(duì)量子測(cè)量的未來發(fā)展充滿信心。