目前,量子测量主要有五大技术路线,分别为基于冷原子相干叠加、基于核磁共振或顺磁共振、基于无自旋交换弛豫(Spin-exchange Relaxation-free,SERF)原子自旋、基于量子纠缠或压缩特性和基于量子增强技术。通过对不同种类量子系统中独特的量子特性进行控制与检测,可以实现量子定位导航、量子重力测量、量子磁场测量、量子目标识别、量子时频同步等领域的精密测量。
近年,在五大技术路线的研发态势方面,冷原子技术路线渐“热”。其优势在于降低了与速度相关的频移,减速(或被囚禁)的原子可以被长时间观测,提高了测量精度,有望助力下一代定位导航授时技术的发展。
另外,原子自旋量子测量按照工作物质的不同可以分为基于核自旋(核磁共振)、电子自旋(顺磁共振),以及碱金属电子自旋与惰性气体核自旋耦合的量子测量系统,广泛应用于陀螺仪、磁场测量领域,测量精度较高,特别是基于SERF的量子测量具备很高的理论精度极限,也是目前的研究热点。
在五大技术路线的实用化进展方面,基于量子纠缠的量子测量技术理论精度最高,可以突破经典物理框架的限制,但是其技术成熟度较低,受限于量子纠缠源制备、远距离分发、量子中继等技术的发展程度,多为理论验证或原理样机开发,实用化前景不明确。基于冷原子相干叠加的量子测量技术理论精度较高,但是由于激光冷却、磁光阱等系统的存在,体积较大且成本较高。目前,一些小型化冷原子测量样机实验研究表明,通过MEMS(微机电系统)技术将电场、磁场和光场测量进行集成,可实现芯片级的原子囚禁、冷却、导引、分束等操控,但是相干时间较短。
例如,美国Cold Quanta公司提供的商用化原子芯片产品;2019年,华中科技大学报道了新型量子重力仪MEMS芯片,平面尺寸为25mm×25mm,厚度为0.4mm;2020年,英国伯明翰大学报道了用于产生冷原子的介电超表面光学芯片,平面尺寸为599.4μm×599.4μm,并基于芯片获得约107个冷原子,冷却温度需低至35μK,但应用条件较为苛刻,多面向高端基础科研等应用场景。
基于SERF的量子测量技术精度较高,目前研究机构多聚焦于提升磁场和角速度测量精度,而企业开始研发小型化SERF磁力计,探索心磁和脑磁测量等应用领域。基于核磁共振的量子测量,虽然精度不如冷原子相干叠加及基于SERF的量子测量,但是技术相对成熟,已有小型化和芯片化商用产品。基于量子增强技术的量子测量是经典测量与量子技术融合的产物,采用量子技术对经典测量的精度进行提升,技术相对成熟,在目标识别领域应用前景广泛。