9.68亿美元！2024，美国重金押注这个前沿传感器！中国应警惕落后悲剧重现！

近期，美国发布了2024年国家量子计划财政预算，此次公布的预算较2019年翻番，并且将支持期限延长至2028财年，可见美国对量子技术的重视。   美国国家量子计划（NQI）涵盖量子传感、量子计算、量子网络等5部分，参与该研发计划的部门包括美国国家科学基金会、国防部、能源部等众多机构，从报告中看到，美国对量子传感技术的预算拨款与量子计算相差无几，意味着美国对量子传感技术的看重。众多部门里，美国国防部对量子传感技术的研究兴趣最大，并公布了一个量子传感器在环太平洋演示中的实战案例。  此前，美国《福布斯》杂志发表报告认为：新一轮的国际竞争将会是量子科技之战。其中提及量子传感：现在量子传感方面真正的进展不一定是实验室工作或学术工作，而是将其投入实际使用。《福布斯》认为中国量子传感在这方面可能与美国存在差距。中国应警惕传统传感技术产业化落后的悲剧在量子传感器中重现！详情见下文。 9.68亿美元！财政支持到2028年！美国发布量子技术年度计划，对量子传感技术高度重视！美国国防部公布量子传感器在环太平洋演习中实战案例！  近期，美国发布了经总统拜登签署的《国家量子计划（NQI）总统2024财年预算补编》报告，这是《国家量子计划法案》（NQI Act）要求的第四份NQI计划年度报告，该法案，旨在加速美国在量子信息科学 (QIS) 和技术方面的领导地位。  美国众议院认为2024 财年是国家量子计划的关键时刻，在此前通过了《国家量子计划重新授权法案》，这项法案不仅将对国家量子计划的财政支持期限延长至2028财年，还将重点放在量子技术在现代场景中的应用上；标志着美国对这一可能定义未来技术格局的科学领域的承诺正在加深。  

  参与美国国家量子计划的机构，包括美国国家标准与技术研究院（NIST）、国家科学基金会（NSF）、能源部（DOE）、国防部（DOD）、美国国家航空航天局（NASA）、美国国家安全局 （NSA）、情报高级研究计划局（IARPA）等十多个美国重要部门。   在2024年美国国家量子计划预算报告中，预算为9.68亿美元（约合69.46亿人民币），自2019年开始美国对国家量子计划的拨款金额分别为4.49亿美元、6.72亿美元、8.55亿美元、10.31亿美元和9.32亿美元，预算金额翻倍增长，可见美国对量子技术持续重视。 

▲美国国家量子计划（QIS）研发支出   美国国家量子计划由5大领域组成：  1、量子传感与计量 （QSENS） ：是指使用量子力学来增强传感器和测量科学。QSENS可以包括叠加和纠缠、非经典光态、新的计量制度或模式的使用，以及量子控制（例如原子钟）在准确性和精度方面的进步。2、量子计算 （QCOMP） ：包括开发量子比特（量子比特）和纠缠门、量子算法和软件、使用可编程量子设备的数字和模拟量子模拟器、量子计算机和原型、混合数模计算，以及量子经典计算系统。3、量子网络 （QNET）：包括创建和使用纠缠量子态的努力，这些量子态分布在远处并由多方共享，用于新的信息技术应用和基础科学;例如，中等规模的量子计算机（模块）联网，以增强超经典的计算能力。4、促进基础科学中的量子技术应用（QADV）：包括调用量子器件的基础工作和 QIS 理论，以扩展其他学科的基础知识;例如，提高对生物学、化学、计算、宇宙学、能源科学、工程学、材料、核物质和基础科学其他方面的理解。5、量子技术 （QT） 列出了几个主题：与最终用户合作，在该领域部署量子技术并开发用例;QIST工程支持技术的基础研发，例如电子、光子学和低温学的基础设施和制造技术;以及努力理解和减轻量子技术（例如后量子密码学 （PQC））带来的风险。   从报告中，可看到量子传感与计量学 （QSENS）的资金拨款与量子计算 （QCOMP）相差无几，美国政府及研究机构对量子传感技术的重视程度不弱于量子计算，并且领先与量子网络。 

▲美国国家量子计划（QIS）各领域研发支出   报告梳理了近年来美美国国家量子计划的研发工作和取得的成就，其中量子量子传感与计量 （QSENS）方面，部分取得的成果如下：

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美国国家标准与技术研究院（NIST）：

（2022年10月20日）JILA的NIST研究小组首次演示了一种纠缠物质波干涉仪，该干涉仪可以感知加速度，其精度超过标准量子极限。未来的量子传感器有望提供更精确的导航，改善对基本常数的测量，使精确的引力测量，以更好地监测和理解地球动力学，并为基础物理学做出贡献，例如暗物质研究。

（2022年12月9日）在四项独立的研究中，NIST研究人员及其同事探索了寻找暗物质的新技术，例如使用超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的实验，并提出了捕获电子和天基原子钟作为量子传感器的理论研究。

美国国家科学基金会（NSF）：

（2022年9月23日）宣布了TAQS量子传感挑战（QuSeC-TAQS）计划的新征集。该计划支持由三名或更多研究人员组成的跨学科团队，以探索量子传感方面高度创新、原创和潜在的变革性研究。2023 年 8 月，NSF 宣布提供 2900 万美元的 QuSeC 计划奖励，以推进量子传感在天文学、生物学、大地测量学、化学、材料科学和物理学等一系列领域的应用。

美国能源部（DOE）：

美国能源部SC核心研究项目中的量子传感工作包括生物传感器和生物成像仪器和应用，下一代探测器和表征工具的创建，增强等离子体和聚变科学的诊断能力，使用QIS支持的传感器和实验来探索新的物理学和黑暗宇宙，以及使用传感器，抗辐射量子威廉希尔官方网站 和核科学的核时钟。

量子网络研究和量子通信项目侧重于纠缠分布、量子态隐形传态、量子传感器联网以及量子网络组件、应用和测试平台的开发。

（2022年8月8日）作为 DOE SC SBIR/STTR 计划的一部分，DOE ASCR 宣布有兴趣接收软件申请，以促进近期量子计算硬件的使用，DOE BER 宣布有兴趣接收量子生物成像和生物能源传感方法的申请。

（2022年9月19日）美国能源部ASCR宣布提供1500万美元的奖励，用于基础研究，以探索科学计算和超大规模科学中潜在的高影响力方法，其中包括QIS奖，以解决开发量子算法的新方法，量子计算的通用模型，以及量子传感器数据上的量子计算。

（2023年1月26日）美国能源部NP宣布提供910万美元的奖励，用于推进QIS和核物理的研究，从用量子计算机解决核物理问题和开发量子传感器，到下一代超导材料和高相干量子比特架构的研发。

值得一提的是，美国国防部尤其重视量子技术，特别是量子传感技术的研发，美国国防部认为：“量子技术正在接近一个临界点，这将决定其产生影响的速度。如果美国能跟上步伐，就能为国防部实现许多重要成果”  美国国防部提及其在量子传感器方面的大量研究，这比其他部门要多得多：

量子传感器将解决在情报、监视和侦察（ISR）以及精确导航和计时（PNT）方面获得军事优势和应对长期军事挑战。开发量子陀螺仪、加速度计、磁力计、重力计和静电计的研发计划包括 OUSD（R&E）/ARL 先进量子传感研究中心、DARPA 用于地球原生地形生物成像的原子磁力计 （AMBIIENT）、原子光子集成 （A-PhI）、新技术原子蒸气科学 （SAVaNT）、量子孔径和矢量电磁辐射量子成像 （QuIVER） 计划，陆军计量学项目、ARL的里德堡原子电磁场传感项目、ARO的量子态工程增强计量学和多量子比特增强传感和计量多学科大学研究计划（MURIs），ONR的惯性和重力传感器原子干涉测量工作，AFRL战略原子导航设备和系统（SANDS）计划，以及AFOSR MURI关于冷分子。

美国国防部还展示了量子传感器在2022年环太平洋演习中实战测试的案例，据介绍，该量子传感器由宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室和某家企业共同开发，将经典的惯性导航系统与基于原子干涉仪的加速度计相结合——这是一个量子惯性传感器，能够获得精度极高的重力和惯性测量结果，用于精确位置导航。   经过长达21天的实战测试后，美国国防部认为：量子传感器的鲁棒性、长寿命和在相关动态下的工作显示出传感器技术成熟水平不断提高的迹象。最终，国防部的目标是将量子惯性传感器集成到可部署的海军系统中。  可见，美国国防部对量子传感器的应用非常满意并且充满期待。  

▲美国国防部测试量子惯性传感器案例   报告介绍，QIS研发高度国际化，人才、基础设施和工业能力遍布全球。全世界有三十多个国家为QIS研究提供了大量政府资金，至少有17个国家制定了国家战略量子技术发展，美国与英国、日本、法国、荷兰、韩国、瑞士、澳大利亚、丹麦、芬兰、瑞典等10个国家签署量子信息科技研究合作协议。

《福布斯》：新一轮的国际竞争将会是量子科技之战，量子传感器是目前最接近实用的量子技术，中国在产业化方面或有差距  美国财经商业媒体《福布斯（Forbes）》此前对量子技术发表观点，认为：未来的国际竞争将聚焦于量子技术领域的科技之战。美国一直寻找利用量子技术进行战争的新方法，无论是开发更强大的计算机、支持GPS、加强通信安全，还是创建能够更好地探测潜艇和地下掩体的监视手段。   美国国防部评估了一系列量子技术的成熟度和预期军事影响，认为，有用的量子计算机可能还需要十年甚至更长时间才能实现，但是一些关于控制单个原子和光子的基础研究即将被用于制造更准确的传感器，包括追踪运动的加速度计和陀螺仪，以及探测重力和磁场小变化的设备——或许这也是为什么上文美国国家量子计划预算报告中，美国国防部对量子传感器研究兴趣这么大。

多家美国私营企业正在进行量子传感器的商业化尝试，这或许走在全球前面。   譬如美国Vector Atomic公司，展示了一种紧凑型量子重力计，配合标准惯性导航系统使用，能够让海军舰艇在没有GPS的情况下进行导航，在2024或2025年，该公司将推出商业化的版本，体积缩小到与汽车后备箱一般大小。  美工Infleqtion公司是英国为汽车开发量子定位系统项目的参与者，该公司正在为该计划建造的量子陀螺仪将于2024年进行飞行测试。   《福布斯》认为，虽然苏联诞生了20世纪最伟大的理论物理学家，但没有多少迹象表明俄罗斯今天正在发展重要的量子技术。中国在量子技术方面的工作集中在大型国家实验室，这可能使其在商业化量子传感器方面与拥有众多私营公司的美国相比处于劣势，“现在量子传感方面真正的进展不一定是实验室工作或学术工作，而是将其投入实际使用。我不清楚他们是否有私营部门来做这种琐碎的工作。”  2022年量子传感器已进入商品化阶段，多家传感器巨头已投入巨资研发量子传感器，譬如世界上最大的MEMS传感器企业博世，就已在2022年成立量子传感器业务部门，目的就是为了把量子传感器商业化。

根据博世官网的描述，这一业务部门的首款量子传感器是个“量子陀螺仪”。其作用与MEMS陀螺仪类似，都是感知位置的变化，但是精度却能提升高达100倍！

欧洲、日本、德国、中国……多国将量子传感器列为国家战略  目前，全球主要国家已将量子传感器列为国家科技发展战略。   2021年，欧洲核子研究中心（CERN）发布《量子技术战略和路线图》，探讨量子技术如何在量子计算、量子传感器等领域发挥作用。   2020年5月，欧盟“量子技术旗舰计划”发布《战略研究议程》报告，针对自身长达十年的生命周期设置了三个阶段性目标。其中量子传感与测量的三个阶段：

①3年内开发出采用单量子比特相干且分辨率和稳定性优于传统对手的量子传感器、成像系统与量子标准，并在实验室中演示；

②6年内开发出集成量子传感器、成像系统与计量标准原型，并将首批商业化产品推向市场，同时在实验室中演示用于传感的纠缠增强技术；

③10年内从原型机过渡至商业设备。

▲《量子技术战略和路线图》主要发展目标   日本是全球传感器大国，早在2018年发布量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP），其中，量子测量和传感器是三大量子技术领域之一，发展目标是：面向未来传感器市场小型化、廉价化的要求，研发先进的固体量子传感器和量子传感器技术，广泛应用于磁场、电场、温度、光等的测量活动。

开发高感知度和分解能力的脑磁测量系统原型机，能对蓄电池、功率电子学装置、能源装置的电流和温度进行控制的原型机。研发具有高密度、高配向率自旋的金刚石传感器，研发量子自旋控制技术等。并对量子测量和传感器的基础技术；固体量子传感器、量子机械传感器等的基础技术；新型量子控制和测量的基础技术等进行研究。   据日媒报道，在2023年11月，日本东京工业大学的科学家们已经成功开发出了世界上首个用于电动汽车电池的钻石（金刚石）量子传感器，能够将电动汽车的续航里程增加约10%。  

▲来源：日经中文网   德国与日本、美国并称三大传感器强国，2018年德国推出《量子技术：从基础到市场》联邦政府框架计划，在4年内（2018—2022年）斥资6.5亿欧元，对量子计算、量子卫星以及量子测量技术等提供支持。   2021年，德国量子系统专家委员会向德国联邦教育与研究部提交《量子系统议程2030》，确定了德国未来发展量子技术的优先研究领域和主要挑战。《议程》确定了5大重点主题，分别为量子计算和量子仿真，量子通信，量子测量和传感器系统等。  量子传感方面，德国提出研发一系列基础技术，包括：量子传感器的小型化和节能解决方案、基于纠缠的传感器网络、模块化的量子传感器控制软硬件、固态传感器、基于气室的传感器、量子增强成像、量子光刻、量子重力仪等。此外，学术界和产业界相关主体的紧密合作也至关重要，这包括降低相关主体使用大型基础设施进行量子技术研发的门槛、共同制定量子测量和传感器领域的标准、培训相关专业人才等。  

  中国持续跟踪量子技术的前沿研究，在量子计算、量子通信方面已处于全球领先水平，量子传感器技术同样不落后。   2022年，国务院发布《计量发展规划(2021—2035年)》，提出“重点开展量子精密测量和传感器件制备集成技术、量子传感测量技术研究”，多次提到量子传感技术的研究重要性。   但目前中国量子传感器研发主要集中于大型国家机构、高校等，私营企业进行研发的较少。 

 

▲《计量发展规划(2021—2035年)》部分内容  结语：警惕悲剧重现！  量子技术作为最具颠覆性的前沿技术，全球大国争先进行研究，而其中，量子传感技术是有望最先实现商业化应用的量子技术。  2024年，美国持续重金投资量子技术，并将拨款年度至少延续到2028财年，其中，美国政府对量子传感技术的拨款和研发，与量子计算同等重视，并领先于量子通信。   与传统传感器领域一样，量子传感器的关键在于产业化，而中国量子传感器产业化仍需努力，警惕传统传感技术产业化的落后悲剧在量子传感器中重现！   审核编辑 黄宇