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中國科學報丨量子傳感:“鼎新帶動革故”

更新時間:2022-03-03      點擊次數(shù):1731

來源:中國科學報    記者:趙廣立

 

編者按:

“遇事不決,量子力學。”

這句戲謔言語的背后,隱喻著量子力學這一前沿科技在公眾面前的深奧與神秘。然而,盡管看似遙不可及,量子科技——尤其量子信息產(chǎn)業(yè)化的腳步已在一眾行業(yè)先驅者的催動下風雨兼程,并逐漸形成了量子精密測量(量子傳感)、量子保密通信、量子計算三大賽道。

畢竟技術門檻高,量子科技創(chuàng)業(yè)公司并非一些媒體所渲染的那樣如雨后春筍般林立,倒是很有一些蹭熱度、收割“智商稅”的不良商家打著量子之名魚目混珠。

而作為*的“大國不應踏空的科技領域”,量子科技的產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新顯得如此重要。為還原量子科技產(chǎn)業(yè)化面貌,《中國科學報》通過走訪科學家、創(chuàng)業(yè)者和投資方,推出系列報道,分主題對上述三大賽道的技術現(xiàn)狀、產(chǎn)業(yè)前景等作一探析,以資感興趣的讀者朋友們參考。

 

國儀量子推出的量子鉆石原子力顯微鏡

 

2016年12月底創(chuàng)立,5年時間里融資5輪,最近一輪(C輪)融資數(shù)億元人民幣,并于2021年被評為“獨角獸企業(yè)”,這家公司就是國儀量子——孵化自中國科學技術大學的量子精密測量儀器產(chǎn)業(yè)初創(chuàng)公司。

訊飛創(chuàng)投的投資總監(jiān)孫嘯天憶起對國儀量子的投資,至今仍能感受到當年的興奮。2018年3月,投資團隊到國儀量子溝通參與A輪融資,4月底就完成了投資決策:作為A輪領投方,訊飛創(chuàng)投給這個當時創(chuàng)立僅1年多的團隊投出4000萬元。

這些數(shù)字的背后,是量子精密測量技術落地應用所帶來的無限魅力。

 

圖片2.png

中國科學報報道版面

打開微觀世界的一把鑰匙

賀羽,年輕的90后創(chuàng)業(yè)者,曾就讀于中國科學技術大學少年班。2016年從中國科學技術大學杜江峰院士團隊出來創(chuàng)辦國儀量子時,已經(jīng)是他第三次投身創(chuàng)業(yè):“該掉的坑都掉過了,在國儀量子倒不覺得有什么不順。”

“量子傳感器是人類能研制的最‘小’的傳感器。”賀羽向《中國科學報》介紹:“最小意味著它能測量一些我們用現(xiàn)代儀器測不到的信號,比如微弱的磁場、神經(jīng)元放電、血液中的痕量標識物等等,它是打開微觀世界的一把鑰匙。”

物質的電磁場、溫度、壓力等物理量與量子體系發(fā)生相互作用后會改變其量子狀態(tài),而通過對這些變化后的量子態(tài)的檢測,就能實現(xiàn)對這些物理量的高靈敏度測量。量子精密測量就是基于量子力學基本特性——如量子能級、量子疊加、量子糾纏等,實現(xiàn)超越經(jīng)典極限的一項測量傳感技術。如今,隨著量子信息技術水平的整體提升,量子態(tài)操控技術已趨成熟,量子精密測量的應用水平也大為提高。

簡單的理解就是,由電子、光子、聲子等微觀載體構筑的量子體系就像是一把高靈敏度的尺子,借助它就可以實現(xiàn)對諸如時間、壓力、溫度、磁場乃至重力等各物理量更精密的測量,因此又稱“量子傳感”。

并且,利用量子糾纏或者量子態(tài)壓縮,還可以進一步提高測量靈敏度。

例如,讓N個“量子尺子”的量子態(tài)處于一種糾纏態(tài)上,待測量信號與這N把量子尺的作用就會相干疊加,信號將隨著被量子相干效應實現(xiàn)N的平方根放大倍數(shù)的“增強”,這樣的測量精度就會突破經(jīng)典力學的散粒噪聲極限,接近量子力學理論范疇內(nèi)所能達到的最高精度——海森堡極限。 

“鼎新帶動革故”的創(chuàng)業(yè)賽道

基于量子精密測量技術研制的儀器,相比一些傳統(tǒng)科學儀器是“降維打擊”,因為科學儀器天然追求更高靈敏度和更高精度。這在賀羽看來,給了國產(chǎn)科學儀器研制“換道超車”的機會。


高端科學儀器是科學研究、工程探測、醫(yī)療臨床等*的重要工具,但由于精密儀器技術要求高、制造難度大,全球范圍內(nèi)只有來自發(fā)達國家的儀器巨頭如賽默飛世爾、島津、羅氏診斷、布魯克等具有完善的供貨能力,且處于壟斷地位。

而高端儀器長期以來依賴進口,讓包括中國在內(nèi)的許多國家不得不付出高價購買的同時還要仰人鼻息,可謂“天下苦壟斷廠商久矣”。

量子精密測量技術在科學儀器方面的落地應用,正在改變這一尷尬現(xiàn)狀。“我們研制的不少儀器一經(jīng)推出就是‘世界*’,不僅樹立了國儀量子的品牌,也奠定了國產(chǎn)高端儀器打破國外科學儀器巨頭壟斷的基礎。”賀羽對《中國科學報》說。

賀羽形容量子精密測量儀器是一個“鼎新帶動革故”的創(chuàng)業(yè)賽道。他介紹說,基于量子精密測量技術,國儀量子瞄準高端儀器市場缺口,錨定人無我有、人有我優(yōu)的“為國造儀”理念,展現(xiàn)了新技術的競爭力。

2018年10月,國儀量子發(fā)布的*臺脈沖式電子順磁共振波譜儀,自主創(chuàng)新多項核心技術,*空白,突破國際禁運,并在關鍵性能指標上實現(xiàn)超越;2019年11月,國儀量子發(fā)布世界*量子鉆石原子力顯微鏡,能“看到”納米級的微觀磁結構,在量子科學、化學與材料科學以及生命科學和醫(yī)療等領域有著廣泛的應用前景。

目前,國儀量子已經(jīng)具備了多款量子傳感器從研發(fā)到生產(chǎn)的核心能力,一些儀器設備甚至開始銷往美國、澳大利亞等發(fā)達國家,銷售額也逐年翻番。賀羽透露,2021年國儀量子訂單總金額已跨過2億元關口,2022年有望實現(xiàn)翻番增長。

還只是冰山一角

盡管訂單數(shù)量節(jié)節(jié)攀升,但賀羽也坦承,國儀量子所撬開的量子傳感儀器市場還只是冰山一角。

“一方面,量子精密測量技術相對傳統(tǒng)測量儀器是降維打擊,存量市場潛力還很大;另一方面,量子精密測量還有許多待發(fā)掘的市場應用場景,新的需求還會不斷地誕生,增量市場藍海可期。”賀羽說,他們現(xiàn)在每年要拿出占營收約40%的費用用于研發(fā)投入,除技術創(chuàng)新研發(fā)投入外,還開展場景創(chuàng)新研發(fā),一些新應用場景的儀器也在做預研或規(guī)劃。

國儀量子也并非量子精密測量技術產(chǎn)業(yè)化的獨行者。放眼全球,瑞士量子傳感解決方案開發(fā)商Qnami就是一家與國儀量子旗鼓相當?shù)母偁帉κ?。后者?017年從巴塞爾大學物理系創(chuàng)立,專注于量子顯微鏡系統(tǒng)市場,并已有多款產(chǎn)品在材料研究領域推出。16年孵化于ULM大學的量子增強成像技術開發(fā)商NVision,致力于將量子傳感技術應用于醫(yī)療領域的分子診斷,開發(fā)新一代功能核磁成像裝置。

此外,一些傳統(tǒng)儀器儀表科技巨頭也在相關細分領域開始采納量子精密測量技術,并開展相應產(chǎn)品研制或制定產(chǎn)品研發(fā)計劃。

如美國傳統(tǒng)制造商洛克希勒馬丁公司,有專門的研究小組,探索研制和使用量子傳感器解決全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的信號干擾問題;蔡司在開展基于量子弱磁傳感器在腦科學研究、腦機接口方向的潛在應用。德國工業(yè)巨頭博世集團,目前正著手探索量子精密測量技術在汽車傳感上的應用——2月18日,博世集團剛剛通過其發(fā)布渠道宣布成立全新初創(chuàng)團隊,旨在將量子傳感器商品化。

環(huán)顧國內(nèi),類似國儀量子這樣的初創(chuàng)企業(yè)并不多,但我國已有或已開展量子精密測量技術開發(fā)的研究團隊也不在少數(shù)。

比如,2021年3月,位于浙江的之江實驗室就曾宣布,其于2019年7月正式立項的量子精密測量大科學裝置完成了“里程碑節(jié)點成果驗收”。公開信息顯示,該裝置基于光動量效應,探索集中在高精度力學量的量子傳感技術方向,上述成果的取得“為力學量量子傳感技術發(fā)展奠定了扎實的基礎”。

再如,中國科學技術大學教授盧征天團隊,曾提出原子阱痕量分析方法、自主研發(fā)基于激光冷原子阱技術痕量同位素分析實驗裝置,并將其創(chuàng)造性地應用于環(huán)境樣品中稀有同位素的探測,進而用于為古地下水與冰川定年。

“我們只是眾多量子精密測量技術中的一個例子,它的空間是很廣闊的,技術應用也日新月異。”盧征天在接受《中國科學報》采訪時說,量子精密測量比較常見應用與時間、質量、溫度等物理量的測量,原子鐘就是一個“明亮的例子”,借助量子技術,原子鐘的計時準確度達到了理論最高水平。

盧征天這一技術在市場上亦有應用落地。記者查詢公開信息獲悉,我國原子鐘、時間同步設備和系統(tǒng)主要供應商“天奧電子”就主營時間頻率產(chǎn)品等的研發(fā)設計、生產(chǎn)銷售,其營收中有近57%來自頻率系列產(chǎn)品、42%來自時間同步系列產(chǎn)品。值得一提的是,作為“量子科技概念股”,天奧電子自2018年9月3日在A股上市以來,股票漲幅達274%。

 

乘“東風”,工程隊伍是關鍵

量子精密測量的政策“東風”,也吹得正勁。

2022年1月28日,國務院發(fā)布了《計量發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》(下文稱《規(guī)劃》),提出在2035年建成以量子計量為核心、科技水平一流、符合時代發(fā)展需求和國際化發(fā)展潮流的國家現(xiàn)代先進測量體系。

《規(guī)劃》重點介紹了對于計量基礎研究、計量應用、計量能力建設與計量監(jiān)督管理的整體要求。在專欄2“計量基礎理論與核心技術研究”中,《規(guī)劃》提出,要“重點開展量子精密測量和傳感器件制備集成技術、量子傳感測量技術研究”。

 

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從《規(guī)劃》的措辭和篇幅設置中可以讀出,量子精密測量技術和高端儀器國產(chǎn)化在其中扮演著重要的角色。

作為以量子精密測量為核心技術、高端科學儀器為主營產(chǎn)品的高新技術企業(yè),國儀量子表態(tài)要抓住國家戰(zhàn)略機遇:“將面向世界科技前沿、堅持面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、堅持面向國家重大需求、堅持面向人民生命健康,加大關鍵核心技術攻關力度,為提高國家科技創(chuàng)新能力、促進經(jīng)濟社會高質量發(fā)展貢獻力量。”

談及未來發(fā)展,賀羽告訴記者,量子測量技術的成果落地,工程化人才隊伍建設是關鍵。“這是練內(nèi)功的過程”。目前,國儀量子研發(fā)隊伍中,有70%是工程化人才。

國儀量子是高瓴資本布局量子技術賽道的第一個入口,后者領投了國儀量子的B輪融資。高瓴資本看重的,也是創(chuàng)業(yè)團隊不僅有“根正苗紅的量子技術”,還擁有技術落地能力,“有望發(fā)展成為量子信息和科學儀器行業(yè)龍頭企業(yè)”。

“儀”路前行,賀羽表示歡迎國內(nèi)更多初創(chuàng)團隊加入這個賽道中來:“量子精密測量技術的轉化落地空間足夠大、蛋糕也夠大,更多隊伍的加入,只會讓我國高端科學儀器品牌越來越強。”