美國(guó)國(guó)家科學(xué)和技術(shù)委員會(huì)(NSTC)量子信息科學(xué)小組委員會(huì)(SCQIS)近日發(fā)布了名為《將量子傳感器付諸實(shí)踐》的報(bào)告，通過擴(kuò)展量子信息科學(xué)(QIS)國(guó)家戰(zhàn)略概述中的政策主題，增強(qiáng)了QIS國(guó)家戰(zhàn)略。

報(bào)告概述

量子傳感器和測(cè)量設(shè)備提供精確性、穩(wěn)定性和新功能，為商業(yè)、政府和科學(xué)應(yīng)用提供優(yōu)勢(shì)。例如用于全球定位系統(tǒng)(GPS)導(dǎo)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(duì)社會(huì)產(chǎn)生了變革性影響。在不久的將來，量子信息科學(xué)與技術(shù)(QIST)可以實(shí)現(xiàn)新一代類似的變革傳感器。

產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府部門之間的合作可以促進(jìn)必要的科學(xué)和工程進(jìn)步，為此，報(bào)告提出了一些建議，以協(xié)調(diào)研發(fā)并促進(jìn)量子傳感器的有效應(yīng)用。國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)量子信息科學(xué)小組委員會(huì)(SCQIS)應(yīng)利用其機(jī)構(gòu)間工作組，促進(jìn)以下建議的適當(dāng)實(shí)施：

1.領(lǐng)導(dǎo)QIST研發(fā)的機(jī)構(gòu)應(yīng)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(dāng)?shù)幕锇殛P(guān)系，以提高新量子傳感器的技術(shù)成熟度；

2.使用傳感器的機(jī)構(gòu)應(yīng)該進(jìn)行可行性研究，并與QIST研發(fā)領(lǐng)導(dǎo)人共同測(cè)試量子原型系統(tǒng)，以確定有前途的技術(shù)，并專注于解決其機(jī)構(gòu)任務(wù)的量子傳感器；

3.支持研發(fā)工程的機(jī)構(gòu)應(yīng)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(xué)器件，以促進(jìn)量子技術(shù)的發(fā)展并擴(kuò)大規(guī)模經(jīng)濟(jì)；

4.各機(jī)構(gòu)應(yīng)該簡(jiǎn)化技術(shù)轉(zhuǎn)讓和收購(gòu)的流程，以鼓勵(lì)量子傳感器技術(shù)的開發(fā)和早期采用。

這些建議以美國(guó)《量子信息科學(xué)國(guó)家戰(zhàn)略概覽》和《國(guó)家量子倡議(NQI)》法案為基礎(chǔ)，加強(qiáng)了美國(guó)的QIST戰(zhàn)略。其長(zhǎng)期目標(biāo)是通過量子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)、安全應(yīng)用和科學(xué)進(jìn)步。在近中期，即未來1-8年，根據(jù)這些建議采取行動(dòng)將加速實(shí)現(xiàn)量子傳感器所需的關(guān)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(xué)特性(如原子能級(jí)、光子態(tài)或基本粒子的自旋)進(jìn)行計(jì)量的設(shè)備。可為科學(xué)、技術(shù)和工業(yè)提供精密測(cè)量技術(shù)。量子傳感器在不同領(lǐng)域均有影響：定位、導(dǎo)航、計(jì)時(shí)、本地和遠(yuǎn)程、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)、基礎(chǔ)物理學(xué)和宇宙學(xué)。

表1 五類主要量子傳感器

1.原子鐘

原子鐘是GPS導(dǎo)航的關(guān)鍵。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)GPS信號(hào)不可用時(shí)，使用原子鐘輔助網(wǎng)絡(luò)和高精度時(shí)間傳輸協(xié)議可以為導(dǎo)航系統(tǒng)提供彈性。原子鐘目前支持互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)通信，是安全或高帶寬應(yīng)用所必需的。地質(zhì)學(xué)、地震學(xué)、石油勘探、電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)和金融服務(wù)業(yè)已經(jīng)受益于芯片級(jí)原子鐘(CSAC)。

圖1 第一代芯片級(jí)原子鐘(CSAC)的發(fā)展時(shí)間表

芯片級(jí)原子鐘(CSAC)計(jì)劃由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)發(fā)起，在2001年NIST研討會(huì)的推動(dòng)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(jìn)展之上。從基礎(chǔ)研發(fā)(a-c)，到工程和原型設(shè)計(jì)(d-e)，到商業(yè)化產(chǎn)品的例子(f)，CSAC花了十多年的時(shí)間，在學(xué)術(shù)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(gè)項(xiàng)目和行業(yè)合作伙伴關(guān)系為CSAC的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的組件技術(shù)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(xué)、地下水、礦藏、潮汐動(dòng)力學(xué)和冰層等地球科學(xué)研究。圖2顯示了原子干涉儀從發(fā)明到商業(yè)應(yīng)用的一些里程碑。原子干涉儀可能很快就能繪制地下結(jié)構(gòu)和空洞的地圖，并有可能用于車輛檢查和隧道探測(cè)；改進(jìn)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(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用包括萬有引力常數(shù)(大G)的測(cè)量、等效原理(自由落體的普遍性)的測(cè)試、毫米級(jí)的引力測(cè)量、暗物質(zhì)粒子的搜索以及引力波探測(cè)的可能替代方法。

原子干涉儀還為慣性導(dǎo)航制造具有競(jìng)爭(zhēng)力的陀螺儀和加速計(jì)，在某些情況下將對(duì)聲納或GPS的需求降至最低；陀螺羅盤、衛(wèi)星定位、制導(dǎo)、導(dǎo)航重力測(cè)繪和海底避障等應(yīng)用也可能即將問世。

圖2 原子干涉儀從實(shí)驗(yàn)室研究到商業(yè)應(yīng)用的時(shí)間表

德布羅意關(guān)于粒子像波一樣傳播的假設(shè)開創(chuàng)了物質(zhì)波光學(xué)領(lǐng)域的研究。隨后，原子干涉測(cè)量法受益于激光捕獲和冷卻原子、從光到原子的相干動(dòng)量轉(zhuǎn)移、光子學(xué)和納米技術(shù)等方面的關(guān)鍵工作。原子干涉測(cè)量法的現(xiàn)代演示始于1991年(a)，該領(lǐng)域在多個(gè)機(jī)構(gòu)的支持下不斷發(fā)展，包括美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)、ARO、ONR、DARPA、NASA和DOE。原子干涉測(cè)量法在重力測(cè)量(b)、慣性導(dǎo)航、土木工程、地球科學(xué)和基本常數(shù)的測(cè)量中都有應(yīng)用。30多年來的持續(xù)投資使原子干涉儀從實(shí)驗(yàn)室儀器(c)發(fā)展到基于空間的平臺(tái)，催生了新的公司和商業(yè)原型(d)、移動(dòng)裝置(e)、2020年美國(guó)宇航局冷原子實(shí)驗(yàn)室在軌道上進(jìn)行原子干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)(f)。即使有了這些進(jìn)展，仍然需要克服工程上的挑戰(zhàn)，以促進(jìn)原子干涉儀的商業(yè)應(yīng)用。例如，需要在激光系統(tǒng)、集成光學(xué)、原子源、真空系統(tǒng)和量子控制方面進(jìn)行重點(diǎn)工作。

3.光學(xué)磁力計(jì)

基于蒸汽、玻色凝聚體或固態(tài)系統(tǒng)(如金剛石中的氮-空位(NV)中心)中原子自旋的光學(xué)磁力計(jì)可以為本地和遠(yuǎn)程傳感、繪圖和導(dǎo)航提供功能。磁力計(jì)可用于神經(jīng)功能的生物醫(yī)學(xué)研究，例如，通過腦磁圖(MEG)了解阿爾茨海默病、帕金森病和認(rèn)知能力。MEG等技術(shù)是對(duì)生物醫(yī)學(xué)中的功能磁共振成像、腦電圖(EEG)和冷凍電子顯微鏡的補(bǔ)充。NV中心還能對(duì)微米級(jí)樣品的化學(xué)位移進(jìn)行核磁共振光譜學(xué)分析，適用于研究單個(gè)細(xì)胞的蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)。光學(xué)磁力計(jì)還可以支持生物樣本的無創(chuàng)檢測(cè)和表面科學(xué)的新工具。

圖3 左為基于SQUID的MEG，右為基于光學(xué)磁力計(jì)的MEG

基于超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)的MEG設(shè)備(a)需要低溫冷卻，有很大的占地面積和開銷。雖然適用于醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，但它們不太可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的臨床使用?；诠鈱W(xué)磁力計(jì)的MEG設(shè)備(b)可以接近甚至超過SQUID MEG的靈敏度極限，而不需要低溫冷卻或大的操作空間。這些更小、更便攜的MEG設(shè)備的一個(gè)應(yīng)用可能是在現(xiàn)場(chǎng)診斷腦外傷。

圖4 NV中心磁力測(cè)量法

金剛石中的氮-空位(NV)中心允許磁測(cè)量和核磁共振(NMR)光譜分析，以及空間分辨率接近納米級(jí)的成像。NV中心的研發(fā)工作已經(jīng)持續(xù)了20多年，參與者包括NSF、NIST、美國(guó)能源部、美國(guó)國(guó)防部和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院。顯著的成就包括檢測(cè)泛素蛋白中的多種核物種，如(a)；使用NV中心的NMR光譜分辨率，如(b)；使用使用單個(gè)NV中心的掃描共焦顯微鏡、納米級(jí)磁場(chǎng)傳感、使用量子鉆石顯微鏡的單細(xì)胞成像、以及活體標(biāo)本中單個(gè)神經(jīng)元激發(fā)的檢測(cè)。金剛石NV磁成像儀的可能的近期應(yīng)用是檢測(cè)由多發(fā)性硬化癥等疾病引起的動(dòng)作電位傳導(dǎo)速度的變化。

4.利用量子光學(xué)效應(yīng)的裝置

利用量子光學(xué)效應(yīng)的設(shè)備提供了突破顯微鏡、光譜和干涉測(cè)量中的標(biāo)準(zhǔn)量子極限的機(jī)會(huì)。非經(jīng)典狀態(tài)的光子使測(cè)量達(dá)到海森堡極限。例如，“壓縮光”使NSF的激光干涉儀引力波觀測(cè)站(LIGO)及其國(guó)際同類設(shè)備Virgo和KAGRA在傳統(tǒng)的預(yù)期噪聲基線以下運(yùn)行。使用壓縮光大大增加了黑洞碰撞的探測(cè)率，有效地?cái)U(kuò)大了LIGO可以研究的宇宙范圍。

圖5 LIGO從理論概念到國(guó)際觀測(cè)活動(dòng)的發(fā)展時(shí)間表

NSF的激光干涉儀引力波觀測(cè)站(LIGO)是超過40年基礎(chǔ)研究和超過10億美元投資的結(jié)果。在首次觀測(cè)的一個(gè)世紀(jì)前，愛因斯坦就預(yù)言了引力波的存在，并于1981年首次提出利用壓縮光來打破標(biāo)準(zhǔn)量子極限。在最初資助時(shí)，LIGO是NSF最大的單筆資助。從最初的投資到產(chǎn)生對(duì)引力波的觀測(cè)，花了20多年的時(shí)間；這證明了持續(xù)和耐心管理的價(jià)值。迄今為止，已經(jīng)有超過90次探測(cè)到由黑洞合并、黑洞-中子星合并和中子星碰撞產(chǎn)生的引力波事件。國(guó)際上正在努力建造更多基于地面的干涉儀，以及一個(gè)名為L(zhǎng)ISA的天基干涉儀。圖中從左到右是使用壓縮光探測(cè)引力波的早期示意圖(a)，先進(jìn)LIGO的四重鐘擺懸掛系統(tǒng)(b)，在LIGO部署壓縮光光路(c)，可以提醒手機(jī)引力波探測(cè)事件的應(yīng)用程序(d)，世界各地現(xiàn)有和發(fā)展中的重力觀測(cè)站的地圖(e)。

量子光學(xué)領(lǐng)域也為超分辨率和非侵入性或低侵入性提供了成像的基礎(chǔ)。這些概念可能為生物醫(yī)學(xué)提供新型顯微鏡。單光子和光子數(shù)態(tài)探測(cè)器可以應(yīng)用于DNA測(cè)序、酶活性跟蹤、粒子物理學(xué)、暗物質(zhì)搜索、量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和微光遙感，如高級(jí)激光雷達(dá)。

通過量子態(tài)層析成像、量子門集層析成像和量子過程層析成像的量子傳感器可以闡明量子計(jì)算機(jī)原型和組件的行為。這些用于材料和器件的復(fù)雜探針可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)超導(dǎo)量子比特、離子阱量子比特、金剛石NV色心以及固態(tài)材料中的其他設(shè)計(jì)雜質(zhì)的更好理解。

5.原子電場(chǎng)傳感器

原子電場(chǎng)傳感器可以使用里德堡原子態(tài)作為換能器或量子天線，來測(cè)量從直流(0 Hz)到太赫茲(1012 Hz)的寬頻率范圍內(nèi)的電磁場(chǎng)。太赫茲輻射的探測(cè)、信號(hào)處理和成像可以通過使用相干光譜學(xué)方法的光學(xué)讀出來實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)技術(shù)為遙感和電測(cè)的新能力提供了機(jī)會(huì)，有可能擴(kuò)大太赫茲范圍內(nèi)的新應(yīng)用。此外，原子電場(chǎng)傳感器提供了減小天線尺寸和改善射頻濾波的機(jī)會(huì)。其他應(yīng)用包括擴(kuò)大蜂窩塔之間的距離，以及采集具有寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)。

面臨什么挑戰(zhàn)？又該如何克服？

量子傳感可以說是量子技術(shù)中最成熟的子類別；相比之下，量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)處于早期的發(fā)展階段。鑒于目前的情況，如果一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)能夠克服，一些量子傳感器有望在短期內(nèi)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生影響。

將量子傳感器從概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)帶到可部署產(chǎn)品仍然需要克服許多障礙。首先，巨大的應(yīng)用空間和潛在用戶需求，使得人們很難專注于特定的應(yīng)用或需求。此外，許多量子傳感器的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力和商業(yè)價(jià)值仍在確定之中。因此，研發(fā)工作是分散的。與此同時(shí)，從基礎(chǔ)研究到成功產(chǎn)品的漫長(zhǎng)道路需要大量和持續(xù)的資金，通常需要幾次協(xié)調(diào)推進(jìn)。

鑒于不同用戶群體的不同需求，應(yīng)制定一項(xiàng)長(zhǎng)期戰(zhàn)略，使多個(gè)機(jī)構(gòu)保持一致，并將私營(yíng)部門利益相關(guān)者團(tuán)結(jié)在一些特定應(yīng)用和關(guān)鍵支持技術(shù)的開發(fā)上。對(duì)于任何一個(gè)機(jī)構(gòu)、大學(xué)或公司都無法獨(dú)自維持的研發(fā)工作來說，一個(gè)有凝聚力的、全系統(tǒng)的方法尤其重要。與私營(yíng)部門進(jìn)行更多協(xié)調(diào)，使量子技術(shù)更加高效成熟，這將得益于知識(shí)產(chǎn)權(quán)、收購(gòu)、研究安全和適當(dāng)伙伴關(guān)系的協(xié)調(diào)努力。

建議一：領(lǐng)導(dǎo)QIST研發(fā)的機(jī)構(gòu)應(yīng)該加快開發(fā)新的量子傳感方法，并優(yōu)先與最終用戶建立適當(dāng)?shù)幕锇殛P(guān)系，以提高新量子傳感器的技術(shù)成熟度。

面臨的挑戰(zhàn)：許多進(jìn)行基礎(chǔ)研究的科學(xué)家缺乏他們的工作最終可能被應(yīng)用的廣闊領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)。這包括熟悉當(dāng)前(競(jìng)爭(zhēng)性)技術(shù)以及在作戰(zhàn)環(huán)境中部署傳感器的嚴(yán)格要求。找到具有互補(bǔ)知識(shí)的專家和最終用戶是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，而且回報(bào)可能需要很長(zhǎng)的周期。這些時(shí)間可能與晉升和任期標(biāo)準(zhǔn)不一致，對(duì)新的聯(lián)合項(xiàng)目缺乏方案資源或機(jī)構(gòu)支持(據(jù)認(rèn)為)會(huì)減緩進(jìn)展。也很難預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)和演示是否或何時(shí)會(huì)產(chǎn)生商業(yè)、科學(xué)相關(guān)的設(shè)備，或幫助機(jī)構(gòu)完成任務(wù)。

建議：領(lǐng)導(dǎo)QIST研發(fā)的機(jī)構(gòu)，如NIST、NSF、DOE、DOD、NASA和情報(bào)界，應(yīng)該與量子傳感器原型的潛在最終用戶合作，共同測(cè)試、開發(fā)和傳播最終用戶應(yīng)用的結(jié)果。該建議的目標(biāo)是加速原型的基礎(chǔ)研發(fā)、測(cè)試和利用。這些機(jī)構(gòu)應(yīng)該尋求與美國(guó)政府、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的最終用戶建立適當(dāng)?shù)幕锇殛P(guān)系，這些用戶可以應(yīng)用量子技術(shù)來改進(jìn)技術(shù)消費(fèi)者實(shí)現(xiàn)各自目標(biāo)或任務(wù)的方式。共同努力通過提供新的能力、先發(fā)優(yōu)勢(shì)和提高對(duì)新興技術(shù)的認(rèn)識(shí)而使最終用戶受益。

建議二：使用傳感器的機(jī)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行可行性研究，并與QIST研發(fā)領(lǐng)導(dǎo)人共同測(cè)試量子原型系統(tǒng)，以確定有前途的技術(shù)，并專注于解決其機(jī)構(gòu)任務(wù)的量子傳感器。

面臨的挑戰(zhàn)：量子技術(shù)被夸大的說法所包圍，對(duì)潛在應(yīng)用的不切實(shí)際的期望或誤解是常見的后果。還有一些潛在的終端用戶不知道某些量子傳感器的存在，從而錯(cuò)過了機(jī)會(huì)。在發(fā)展規(guī)模經(jīng)濟(jì)之前，很難預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)室演示何時(shí)或是否具有商業(yè)可行性，是否有助于機(jī)構(gòu)完成任務(wù)。例如，與現(xiàn)有的、經(jīng)典的替代方案和基準(zhǔn)進(jìn)行比較并不簡(jiǎn)單，因?yàn)榻?jīng)典傳感器可能有幾十年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。這些挑戰(zhàn)使得預(yù)測(cè)采購(gòu)支持的競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備變得更加復(fù)雜。此外，傳感器的實(shí)用價(jià)值取決于許多因素，包括在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的性能、對(duì)環(huán)境噪聲的響應(yīng)、可靠性、帶寬、占空比和操作死機(jī)時(shí)間等規(guī)格，但通常不是科學(xué)家或發(fā)明家在早期原型優(yōu)化的首要任務(wù)。然而，這些因素與實(shí)地部署高度相關(guān)。因此，潛在的最終用戶應(yīng)該幫助判斷這個(gè)空間。

建議：使用傳感器的機(jī)構(gòu)應(yīng)確定一些相關(guān)的量子技術(shù)，并進(jìn)行專門的調(diào)查，酌情調(diào)用合作伙伴關(guān)系、MOU和MOA。美國(guó)政府內(nèi)的潛在最終用戶機(jī)構(gòu)(消費(fèi)者)可能包括國(guó)土安全部、國(guó)家衛(wèi)生研究院、農(nóng)業(yè)部、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局，以及能源部、國(guó)防部和NASA中最初可能不屬于QIST研究生態(tài)系統(tǒng)的部分。國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、聯(lián)邦政府資助的研發(fā)中心和學(xué)術(shù)界的科學(xué)家也可能是早期采用者。QIST研發(fā)從業(yè)者和這些最終用戶的共同努力可以優(yōu)先用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、共同設(shè)計(jì)和開發(fā)新的量子傳感器原型和應(yīng)用。各機(jī)構(gòu)可以利用SCQIS及其工作組來幫助確定潛在的合作伙伴關(guān)系。

建議三：支持工程研發(fā)的機(jī)構(gòu)應(yīng)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(xué)，以促進(jìn)量子技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

面臨的挑戰(zhàn)：由于控制量子系統(tǒng)所需的嚴(yán)格技術(shù)要求和工程成本，獲取關(guān)鍵支持技術(shù)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。將實(shí)驗(yàn)室原型移植到現(xiàn)場(chǎng)演示通常需要尚未可用的組件或工藝，如專用材料、制造設(shè)施、集成光子器件、激光器、電子器件、真空系統(tǒng)、互連、量子控制和診斷。不幸的是，許多這些使能技術(shù)還沒有足夠大的市場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。這些障礙延遲了所需子系統(tǒng)的開發(fā)，并且對(duì)在沒有多次迭代和后續(xù)改進(jìn)的情況下向最終用戶交付產(chǎn)生了挑戰(zhàn)。

建議：支持研發(fā)工程的機(jī)構(gòu)應(yīng)該與SCQIS及其工作組合作，以確定促進(jìn)關(guān)鍵組件開發(fā)的方法，這些組件是使量子傳感器更緊湊、更可靠和更具成本效益所必需的。探索與產(chǎn)業(yè)界的共同努力，并對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行有針對(duì)性的投資，可以生產(chǎn)出跨領(lǐng)域、多功能的組件，從而實(shí)現(xiàn)多種量子設(shè)備，如適用波長(zhǎng)的可靠激光器和集成光學(xué)電路。各機(jī)構(gòu)應(yīng)該協(xié)調(diào)對(duì)這些有利技術(shù)的戰(zhàn)略研發(fā)投資，建立合資企業(yè)和人才隊(duì)伍，培育可持續(xù)的量子產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

建議四：各機(jī)構(gòu)應(yīng)該簡(jiǎn)化技術(shù)轉(zhuǎn)讓和收購(gòu)的流程，以鼓勵(lì)開發(fā)和盡早采用量子傳感器技術(shù)。

面臨的挑戰(zhàn)：一些與知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)有關(guān)的做法可能會(huì)阻礙合作，這些挑戰(zhàn)在國(guó)際合作中變得更加嚴(yán)峻。類似地，對(duì)采購(gòu)的善意限制可能會(huì)推遲收購(gòu)和減緩開發(fā)，在某些情況下會(huì)降低競(jìng)爭(zhēng)力。因此，需要一種平衡的方法來確保研究安全，同時(shí)維護(hù)美國(guó)科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)力背后的核心價(jià)值觀，包括公開、透明、誠(chéng)實(shí)、公平、公平競(jìng)爭(zhēng)、客觀性和民主原則。雖然研究安全面臨嚴(yán)重威脅，但也存在一種風(fēng)險(xiǎn)，即過度廣泛地實(shí)施保護(hù)措施可能會(huì)抑制推動(dòng)進(jìn)步的信息交流。

建議：各機(jī)構(gòu)應(yīng)該確定并實(shí)施有助于解決技術(shù)轉(zhuǎn)讓問題的做法，例如來源選擇、購(gòu)買權(quán)、許可協(xié)議和利益沖突。高效的技術(shù)轉(zhuǎn)讓和獲取過程對(duì)于創(chuàng)新至關(guān)重要。它們可以減少發(fā)明人探索商業(yè)可行性的行政障礙，幫助最終用戶訪問和共同開發(fā)產(chǎn)品，并使公私合作更加直接。在公眾信任至上的情況下，確保以適當(dāng)促進(jìn)創(chuàng)新和基礎(chǔ)研究的方式做出決策，同時(shí)減輕行政負(fù)擔(dān)，可以促進(jìn)快速創(chuàng)新。為此，機(jī)構(gòu)應(yīng)該慎重考慮對(duì)技術(shù)或操作風(fēng)險(xiǎn)的承受能力，同時(shí)考慮法律和規(guī)范，維護(hù)研究安全的最佳實(shí)踐。由于技術(shù)轉(zhuǎn)讓取決于政府、私營(yíng)部門和學(xué)術(shù)界不同部門的許多人，一種方法是讓SCQIS、NSTC實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)小組委員會(huì)及其工作組參與進(jìn)來，確定和分享最佳實(shí)踐。

發(fā)展時(shí)間如何規(guī)劃？

為幫助實(shí)施這些建議，報(bào)告描述了研發(fā)界在近期(1-3年)和中期(3-8年)的一些現(xiàn)實(shí)的期望。

在未來1-3年內(nèi)，行動(dòng)應(yīng)該包括：

1.QIST研發(fā)領(lǐng)導(dǎo)人向各機(jī)構(gòu)提供關(guān)于量子傳感器的簡(jiǎn)報(bào)和研討會(huì)。簡(jiǎn)報(bào)包括對(duì)現(xiàn)有傳感器的調(diào)查及其對(duì)機(jī)構(gòu)任務(wù)/需求的影響的分析。理想情況下，這些簡(jiǎn)報(bào)將帶來后續(xù)工作，共同測(cè)試和演示量子傳感器，并編制現(xiàn)有和可行的性能指標(biāo)的策劃清單。

2.潛在的最終用戶應(yīng)該參加以QIST為中心的專業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)議、研討會(huì)和圓桌會(huì)議，了解他們的需求。最終用戶可以參加提議者日活動(dòng)，告知研發(fā)界他們對(duì)量子技術(shù)的興趣和期望的性能指標(biāo)。

3.在滾動(dòng)基礎(chǔ)上促進(jìn)新量子傳感器研發(fā)的適當(dāng)伙伴關(guān)系，參與聯(lián)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和初步結(jié)果評(píng)估。量子傳感器的收購(gòu)、演示和聯(lián)合設(shè)計(jì)應(yīng)該有助于開拓和驗(yàn)證新的應(yīng)用。對(duì)于跟蹤和評(píng)估而言，將現(xiàn)有和新的量子傳感器聯(lián)合研發(fā)工作及其對(duì)成熟量子傳感技術(shù)的貢獻(xiàn)進(jìn)行分類將是很有價(jià)值的。

4.確定量子傳感器的具體、高價(jià)值應(yīng)用，證明專門的工程和制造工作是合理的。其中一個(gè)輸出是關(guān)鍵組件的優(yōu)先列表，以及相關(guān)工程研發(fā)的規(guī)格和計(jì)劃。

5.確定工程基礎(chǔ)設(shè)施和研發(fā)活動(dòng)的清單，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)先排序，以解決每項(xiàng)活動(dòng)在使能技術(shù)和應(yīng)用方面的鴻溝。估計(jì)每項(xiàng)活動(dòng)所需的時(shí)間和投資及其潛在影響。應(yīng)該鼓勵(lì)有助于大量量子應(yīng)用的活動(dòng)或基礎(chǔ)設(shè)施。

6.在機(jī)構(gòu)內(nèi)確定或建立能夠以促進(jìn)量子傳感器技術(shù)發(fā)展的方式協(xié)助解決法律和政策問題的機(jī)構(gòu)。

7.跟蹤工程和科學(xué)突破，文獻(xiàn)計(jì)量、參與者、專利、量子傳感技術(shù)的許可，以及量子傳感器的銷售或收入，并跟蹤國(guó)內(nèi)外的關(guān)鍵組件或支持技術(shù)。

一旦通過協(xié)調(diào)活動(dòng)確定了合適的技術(shù)，在未來3-8年內(nèi)，研發(fā)界和SCQIS中的機(jī)構(gòu)應(yīng)該努力：

1.與最終用戶合作執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和演示，以加快早期采用和過渡。

2.優(yōu)先考慮組件小型化和子系統(tǒng)集成。

3.通過財(cái)團(tuán)和代工廠開發(fā)和建設(shè)研發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施。

4.為已確定的量子傳感器和組件技術(shù)制定標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語

雖然還有很多基礎(chǔ)科學(xué)有待完成，量子傳感器的全新概念和平臺(tái)很可能在未來被發(fā)現(xiàn)，這里介紹的戰(zhàn)略側(cè)重于原型系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，因?yàn)檫@些已經(jīng)被確定為需要協(xié)調(diào)的鴻溝，可以支持整個(gè)QIST領(lǐng)域。支持早期探索性QIST研究的現(xiàn)有機(jī)制是新想法的重要來源，不應(yīng)該被這些建議所取代。將量子傳感器從實(shí)驗(yàn)室推向市場(chǎng)的國(guó)家戰(zhàn)略必須促進(jìn)技術(shù)發(fā)展的漫長(zhǎng)過程。

如果這一戰(zhàn)略得以成功實(shí)施，開發(fā)、演示和利用特定傳感器的共同努力將加速變革性產(chǎn)品和服務(wù)的傳播。在此過程中，早期采用者將獲得先發(fā)優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)新者和企業(yè)家將獲得知識(shí)產(chǎn)權(quán)。量子組件和設(shè)備的可用性增加將使許多用戶受益，包括其他領(lǐng)域的科學(xué)家，從而拓寬QIST研發(fā)社區(qū)。總而言之，為了讓美國(guó)實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)的經(jīng)濟(jì)、安全和社會(huì)效益，各機(jī)構(gòu)應(yīng)該齊心協(xié)力，實(shí)現(xiàn)下一代量子傳感器。