全球量子精密测量技术竞速升温

来源：科技日报

科技日报记者 姚易安

近期，全球量子精密测量领域接连迎来标志性进展。中国清华大学团队与欧洲多国联合研究团队几乎同期在《自然》杂志发表核光钟研究成果，分别通过不同技术路径实现了钍-229核光钟的稳定闭环运行，这是人类首次将可运行的计时基准从原子外层电子能级深入到原子核内部。

奥地利维也纳工业大学原子物理学家、欧洲团队主要成员托尔斯滕·舒姆坦言，制造出核光钟是“梦想成真”。这一领域在不久前还是一个“平静的小众领域”，“现在我们有了激烈但友好的全球竞争”。

核光钟精度有望超过原子钟

长期以来，现代科技体系的时间基准由原子钟提供，依靠原子外层电子的能级跃迁计时，支撑着卫星导航、电力通信、深空探测等领域的精准运行。但电子能级易受温度、磁场、电磁脉冲等外界环境干扰，其精度已经逐步逼近理论天花板。核光钟以原子核的能级跃迁作为“节拍器”，原理上受外界干扰更小，有望实现比现有顶尖原子钟更高的精度与稳定性，因此成为全球计量与物理界共同攻关的前沿方向。

2024年，包括美国国家标准技术研究院（NIST）在内的3个研究团队报告称，他们使用激光触发钍核内的时钟转变。此前，这些跳跃的能量仅被间接测量。物理学家首次直接观测到核跃迁信号，完成了从理论预言到实验验证的跨越，但当时尚未实现闭环锁定的连续计时。

2026年，技术攻关进入集中收获期。6月，由维也纳工业大学、德国联邦物理技术研究院等机构组成的欧洲团队发布预印本，搭建了带反馈回路的钍-229光学核钟；10月，清华大学团队与欧洲团队几乎同期在《自然》发表正式成果，二者分别采用不同技术路线实现了核光钟的稳定闭环运行：欧洲团队采用高浓度钍晶体光管吸收读出方案，中国团队采用自主研制的148纳米真空紫外激光与低浓度掺钍氟化钙晶体方案，在秒级稳定度指标上各有突破。

以色列魏茨曼科学研究所理论物理学家吉拉德·佩雷斯同期评论这两项工作时表示，核光钟已经从一个“有潜力的系统”，发展成为“一台可用的精密仪器”，能够用于探索新的物理学。在他看来，这只是该领域加速发展的起点。

NIST在8月发布的官方技术评估中指出，当前两支团队的核光钟原型运行均具有可靠性，单日频率漂移对应的误差约为300万年偏差1秒，但仍未超越目前最顶尖的传统原子钟的长期精度每400亿年误差不超过1秒。真空紫外激光效率提升、晶体材料优化、系统小型化与环境适应性提升，都是各国团队下一步共同攻关的核心方向。

竞争焦点转向“能不能用”

核光钟的密集突破，只是全球量子精密测量领域竞争的一个缩影。作为量子科技三大核心方向之一，量子精密测量利用量子态的特性实现对物理量的超高精度测量，覆盖时间、重力、磁场、电流、惯性等多个维度，被称为“量子级的尺子”，正从基础研究逐步走向资源勘探、防灾减灾、国防军工、高端制造等实体应用场景。

全球主要科技国家均已将量子精密测量上升到战略竞争领域。例如，量子重力仪可用于地下资源勘探和地质监测场景。美国AOSense公司研发的高精度量子重力设备中，部分产品已进入工程化阶段，美国国家航空航天局和能源企业是其重要用户。欧盟通过“量子旗舰计划”，拟于2030年前投入10亿欧元，整合多国科研力量推动量子传感技术的商业化应用，在量子磁力仪、原子干涉仪领域形成较强的产业转化能力。日本、韩国也相继出台专项战略，强化量子精密测量技术的研发与出口管制。

竞争的焦点正逐步从“能不能测”转向“能不能用”。在时间频率领域，除了前沿的核光钟探索，光晶格钟等成熟技术路线也在持续迭代。中国科学技术大学团队研发的锶原子光晶格钟，稳定度和不确定度均突破10-19量级，跻身国际先进梯队，为国际单位制“秒”的重新定义提供了中国数据。

量子控制企业Q-CTRL首席执行官迈克尔·比尔库克表示，量子传感是量子技术领域里最贴近商业化的分支，也是“近期最大赢家”。

美国斯坦福大学胡佛研究所于今年7月发布的《量子革命：盟友政策制定者的指南》显示，在量子计算、量子通信、量子精密测量三大方向中，作为量子精密测量核心应用形态的量子传感，商业化路径最短。

应用转化处于关键期

整体来看，全球量子精密测量仍处于基础研究向应用转化的关键阶段。即便是进展最快的核光钟，目前也还只是实验室原型装置，体积庞大、运行条件苛刻，后续的小型化、低功耗、环境适应性工程化攻关，以及星载、车载、舰载等场景适配，都是各国下一阶段共同面临的核心挑战。而在高端量子传感器芯片、核心光电器件等上游环节，全球产业链都存在不同程度的短板。

清华大学副教授丁世谦表示，这次突破为导航和通信设备中实现紧凑且坚固的光学时钟开辟了可能的道路。舒姆表示，使用晶体的核光钟已经在商业化开发中。

“此前，用于容纳钍-229所需的透明晶体在技术上要求高且生产成本高，这给任何实际应用带来了真正的限制。”英国曼彻斯特大学理论化学讲师哈里·摩根在核光钟研究评论中指出，“这一新方法是核光钟未来的重要进步，毫无疑问，这种装置是可行的，甚至可能比任何人预期的更接近。”

NIST的“NIST on a Chip”计划体现了这一转向：将原本只能在国家级计量实验室实现的高精度测量能力，压缩到芯片级设备中，推向工厂、医院、野外等真实场景。

在这场全球竞速中，中国凭借完整的工业体系、持续的科研投入和广阔的应用市场，已成为重要的参与者。在时间频率、量子磁力仪、量子电流传感等细分方向，中国科研团队的成果处于国际第一梯队，同时也在加快工程化转化和产业生态构建。随着各国投入持续加大，量子精密测量领域的技术迭代与产业落地有望进一步加速，为全球科技发展带来新的底层动力。