0 引言
随着第26届国际计量大会通过了以量子力学中的普朗克常数为基准重新定义质量单位“千克”的修订决议，国际计量单位7个基本物理量皆已实现了“量子化”，精密测量进入了量子时代
[1]。
量子精密测量利用量子效应、量子相干、量子纠缠或量子隧穿等量子系统的特有性质实现高精确、高灵敏探测和测量，可以用于测量磁场、电场、重力、时间和频率、温度/压力、加速度、角动量等多种物理量，实现远超经典传感器的测量精度，可以达到甚至超过海森堡精度极限
[2-4]。量子精密测量技术在军事、航天航空、地质勘探、生物医学和基础物理学等多个领域已经展现出巨大的潜力和优势，成为量子科技领域快速发展的研究细分领域
[5]。
美国政府已把量子信息科技领域列为其重点关注的关键和新兴技术领域之一。2018年，时任美国总统特朗普签署《出口管制改革法案》，美国商务部工业与安全局计划添加14大新兴技术至出口管制清单，其中第7项便是量子信息和传感技术。量子信息科技领域可进一步分为量子通信、量子计算和量子测量（传感）3大重要方向；其中，量子精密测量和传感技术颠覆了传统测量认知，是技术成熟度最高、实际应用范围最广、潜在应用最多的量子信息技术
[6]。量子精密测量和传感技术作为一种军民两用技术，近年来得到美国、英国、日本和欧盟等科技发达国家/地区的日益重视
[7-9]。
量子传感器是量子精密测量和传感领域的关键核心技术。本文以量子传感器及其相关技术作为切入点，基于Incopat商业专利数据库
[10-11]以及自建出口管制数据库
[12-13]，采用文献计量学方法分析了量子精密测量和传感技术的全球发展趋势、技术竞争格局、主要研发机构布局、重点涉及技术类型以及美国对华技术出口管制情况，并对我国在量子精密测量和传感领域的技术发展和战略布局进行了思考，旨在为相关科技研发和管理决策提供信息支撑。
1 全球量子精密测量和传感领域专利申
请趋势和技术演变分析
结合关键词和IPC技术分类代码制定专利检索式，相关检索关键词包括量子传感器、原子钟、量子陀螺、核磁共振陀螺、金刚石色心、原子频率梳、原子干涉仪、原子重力仪、光晶格钟、原子陀螺、量子陀螺、原子磁强计、原子磁力仪、光泵磁强计、光学磁强计、量子磁力仪、超导量子干涉、量子干涉仪、量子干涉器件、量子加速度计、分子钟、量子雷达等
[14-15]。截至2024年4月23日，在Incopat专利数据库中采用标题和摘要关键词检索字段结合IPC技术分类的检索策略，共检索到相关专利16215件（11563项简单同族）。
如
图1所示，全球量子精密测量和传感技术专利布局始于1983年。早期相关专利主要源于日本日立集团和住友电工集团等企业、占比46.16%，主要侧重超导量子干涉器、约瑟夫森结、超导薄膜、光学陀螺仪、光纤光学技术主题。我国相关专利布局始于1988年，北京有色金属研究总院在超导量子干涉器方面申请了5件专利，另外中南工业大学和北京大学共同研究了用于超导量子干涉仪的磁屏蔽筒。
1991—2000年，量子精密测量和传感领域的专利数量呈现稳定发展趋势，在早期关注技术基础上，新增了位置测量传感器、磁通计、原子钟、量子效率、氧化物超导体、量子传感器等重点主题。2001—2010年，量子精密测量和传感领域的专利数量呈现缓慢增长趋势，新增了原子磁强计、超导磁屏蔽、压电振动子、集成光学、重力梯度张量、原子量子簇等重点技术主题。
2011年以来，全球和中国在量子精密测量和传感领域的专利数量皆呈现快速增长趋势。全球相关专利重点关注超导量子干涉器、（铷）原子钟、光学陀螺仪、约瑟夫森结、原子磁强计、原子干涉仪、原子振荡器、量子点、高量子效率、非线性光学、原子自旋原子磁强计、原子干涉仪、原子磁力仪、量子点、碱金属原子等技术，中国相关专利重点关注方向与全球大体一致，但技术路线不完全相同，侧重（SERF原子自旋效应）原子磁强计/原子磁力计、（铷、铯、氢）原子钟、约瑟夫森结、光学陀螺仪、（冷原子）偏振分光棱镜、超导量子干涉仪、（金刚石氮空位）色心、光量子等。
虽然同一个技术主题往往贯穿了数十年研究历史，但是其技术原理和应用领域在不断演变发展，持续提高测量的精度、灵敏度以及拓展技术应用领域。在原子钟研究方向，除了铯原子钟外，铷原子钟、氢原子钟、离子阱原子钟、光学原子钟等新品种在不断研制推广中，原子钟的测量精确化、微型化（芯片化）、节能化也在持续发展中
[16]。2016年9月，由中国科学院上海光学精密机械研究所研制的空间冷原子钟随天宫二号空间实验室发射升空，成为国际首台在轨进行科学实验的超高精密度冷原子钟
[17]。在量子磁力仪研究方向，产业化在不断推进，原子磁力计与金刚石NV色心磁力计是目前重点关注技术路线，正在推动高端医疗器械的更新迭代，并且成为纳米科学研究的重要工具
[18-19]。
2 全球量子精密测量和传感领域技术竞争格局分析
全球量子精密测量和传感技术专利布局广泛，中国、美国和日本是研发机构关注的主要市场（
图2）。其中，中国国家知识产权局受理专利5071件，占全球专利31.27%；其次是美国专利商标局，受理专利3284件，占比20.25%。另外，日本受理专利申请2495件，世界知识产权组织受理专利申请1174件，欧洲专利局受理专利申请1017件。德国和韩国也是相关专利布局的主要国家。
如
表1所示，从专利公开国家/地区的主要专利申请人国家/地区来看，通常而言，专利公开国家/地区专利申请人主要来自本土；相对而言，中国大陆地区和俄罗斯的本土专利申请人占比高达90%以上；但是，加拿大和澳大利亚的首要专利申请人来自美国，其次才是本土专利申请人。此外，世界知识产权组织的专利申请人主要来自美国、日本和中国大陆地区，欧洲专利局的专利申请人主要来自美国、日本和德国。
美国、欧盟和日本等国家/地区已经充分认识到量子精密测量技术和量子传感器的重要性和战略意义，并已在不同程度针对量子精密测量和传感、量子通信和量子计算领域进行了多方面战略部署
[7-8]。IncoPat数据库基于AI技术和专家提炼，自研发了描述专利技术方案的字段“用途”，对专利技术核心要素进行描述和统计。量子精密测量和传感技术领域的主要申请国家/地区的研发技术用途如
表2所示。全球量子精密测量和传感技术的主要用途包括测量实验、机械设备、计算控制、元器件和方法过程，这也是中国大陆地区和德国的主要关注内容，但侧重点不完全相同。此外，美国较注重信息通信技术用途研发，日本和韩国较注重电子电器技术用途研发。
3 量子精密测量和传感领域全球主要研发机构及其技术布局分析
如
表3所示，量子精密测量和传感领域的重要专利申请机构主要来自日本和美国的企业，如Seiko Epson（精工爱普生）、Honeywell（霍尼韦尔）、Hitachi（日立）等。中国大陆地区的研发主体主要为高校和科研院所，其中北京航空航天大学和中国科学院上海微系统与信息技术研究所的专利申请量分别位居全球第4和全球第7。中国台湾地区的台湾积体电路制造股份有限公司以188件专利申请量位居全球第6。
从研究机构的专利布局国家/地区来看，日本本土为日本企业主要专利布局国家/地区，此外为美国和欧洲。欧洲和美国本土为美国企业主要专利布局国家/地区，其次为日本。中国大陆地区的研发机构大都主要在本土布局专利，通过世界知识产权组织、欧洲专利局申请的专利较少，国外布局的专利也很少。
4 量子精密测量和传感领域主要技术主题分析
基于IncoPAT专利数据库的文本聚类功能，量子精密测量和传感领域的主要研究技术主题如
图3所示，包括超导量子干涉、原子干涉仪、原子钟、光学陀螺仪、原子磁强计、量子传感器等。国际量子精密测量和传感技术应用研究聚焦于量子磁场测量、量子成像、量子时间测量等领域。除了电、磁、角速度、相位等量子传感和测量单元外，超导器件、半导体器件及其制造方法和设备，微波激射器、激光器等受激发射器件，以及光学器件或装置，也是量子精密测量和传感领域的关键组成技术。
基于专家意见，激光器的振幅和位相噪声是制约测量与传感性能的2个重要方面；此外，光电探测器作为信号的接收单元，其性能直接影响量子精密测量与传感系统的性能。因此，本文针对这2个关键技术进一步分析其专利研究部署情况。
4.1 激光器的振幅和位相噪声专利部署情况分析
通过研读专利文献发现，激光器的振幅和位相噪声是整个量子科技领域的关键核心技术，不仅应用于量子传感，同时也应用于量子计算和量子通信。截至2024年4月23日，在Incopat专利数据库中采用标题和摘要关键词检索字段，共检索到量子科技领域激光器的振幅和相位研究相关专利885件（701项简单同族）。
通过遴选高价值专利（IncoPAT合享价值度为8~10）的536件专利分析发现，主要的专利申请机构为美国IONQ公司、北京中科国光量子科技有限公司、华南师范大学、浙江九州量子信息技术有限公司等。其中，美国IONQ公司在用于量子计算机的幅度、频率和相位调制的缠结门方面开展了多项研究
[20-21]；2023年，北京中科国光量子科技有限公司在偏振不敏感的抗欺骗干扰量子激光雷达技术方面申请了多篇专利，通过消除自由空间信道引起的相位漂移，提高系统的稳定性
[22-23]。2018年，华南师范大学利用法拉第镜及双向路径实现光纤中偏振抖动的自动补偿，由790 nm激光泵浦II型相位匹配晶体形成频率近似的纠缠光子对，申请了一项基于量子纠缠的时钟同步系统与方法的专利
[24]。
4.2 光电探测器专利部署情况分析
截至2024年4月23日，在Incopat专利数据库中采用标题和摘要关键词检索字段，共检索到量子精密测量和传感领域涉及光电探测器技术的相关专利451件（420项简单同族）。遴选高价值专利（IncoPAT合享价值度为8~10）的225件专利分析发现，主要的专利申请机构为北京大学、浙江大学、中国科学院武汉物理与数学研究所、北京航天控制仪器研究所、德国博世公司等。其中，北京大学基于光电探测器、原子气室和激光器技术申请了多项原子钟或原子磁传感器技术
[25-26]；浙江大学基于利用光电探测器研制出一种闭环谐振式光学陀螺的方波正交解调实现方法及装置
[27];中国科学院武汉物理与数学研究所基于光电探测器等技术在原子钟、核磁共振陀螺仪和原子磁力计方面申请了多项专利。此外，德国博世公司基于1个或多个光电探测器开发了多个金刚石色心量子传感器
[28-29]。
5 量子精密测量和传感领域美国对华技术出口管制情况分析
根据中国科学院文献情报中心构建的出口管制数据库，目前，在美国商业管制清单（CCL）中，涉及量子精密测量的条款约456条，约占CCL条款总量的10%，主要包括激光器（319条）、量子传感器（137条）等。原子钟、原子重力及重力梯度仪、原子磁力仪、原子陀螺仪等量子精密测量仪器均需依赖激光器实现相应功能，同时激光器还可广泛应用于其他如检测、通信、军事等重要领域，因此美国政府将激光器作为重要技术管制模块。在美国CCL清单中，激光器管制主要分布在第6行业类（“传感器与激光器”）中。具体而言，主要分布在6A995、6A005、6A205、6C005等条款下，如
表4所示，其他行业类中也涉及少量激光器的应用管制。
量子传感器是与量子精密测量直接关联的管制技术。量子传感器目前发展趋于成熟，是美国等发达国家对量子精密测量领域的另一主要管制着力点。美国CCL清单管制的量子传感器类型包括线性位移测量仪、尺寸测量、时钟频率、时间间隔测量、磁力计、磁力梯度仪、磁强计、重力仪、重力梯度仪、陀螺仪、惯性测量设备、加速计和角速率传感器。此外，量子阱和超晶格器件等异质结构半导体器件也是CCL清单管制技术。美国商务部工业安全局也对半导体元器件、集成电路、光刻制造等先进半导体制造技术和设备进行了严格管制，并从2022年10月以来不断突出对华高端光刻机、高性能芯片制造、先进计算制造的管制能力。
量子精密测量和传感技术是军民两用技术。从目前已有的管制政策以及整体调整趋势，可以看出未来在量子信息科技领域的管制势必会更加严格。美国从2021年11月开始对中国的量子信息科技公司实施实体管制，将国盾量子及其子公司上海国盾以及合肥微尺度物质科学国家研究中心列入“实体清单”。2024年5月，美国商务部再次宣布将22个中国量子技术研发实体加入“实体清单”，几乎涵盖了国内一线量子信息科技企业和科研机构。此外，美国还在不断强化盟国合作以扩大量子信息科技领域优势。
6 结论
近年来，随着量子精密测量和传感技术在国防科技领域的迅速发展，量子精密测量和传感技术已逐渐成为世界科技强国优先发展的前沿科技领域以及对华出口管制重点技术。总体而言，当前全球量子精密测量和传感技术尚处于初级产业发展阶段，具有巨大的发展潜力和广阔的市场发展前景。跟量子通信和量子计算相比，量子精密测量和传感技术发展更为成熟，已具有一定产业基础。随着量子测量精度、稳定度、环境适应性、体积功耗等性能指标不断提升，传统测量行业的竞争格局正被量子精密测量和传感技术的不断商业化改变，特别是高端测量仪器呈现出量子化发展趋势。量子精密测量产业将沿着专用级（科研、国防）、工业级（能源、航空）走向民用级（医疗、交通）的市场方向发展壮大，在从研发到产业化的过程中仍面临一些挑战，如人才多样化、技术可行性、关键辅助性技术和组件、知识产权与技术转让等问题。此外，量子精密测量和传感技术的推广和市场接受度也是实现商业化的关键因素。
我国量子精密测量领域整体势头发展良好，原子钟和原子重力仪技术处于国际领先水平，还完成了量子雷达的原型机研发，但总体在技术指标、工程推广等方面距离国外顶尖水平仍存在一些差距。1）我国应鼓励量子精密测量和传感领域的研究高校和科研院所在夯实基础研究之外成立初创企业，促进技术研发成果的转移转化和商业化。2）强化关键核心技术的国内外专利布局，在保护本土市场的前提下积极拓展海外市场。3）评估对外部关键设备、组件和材料的依赖程度，建立重点产业链供应链的风险监测、动态预警和灵活应对机制，提升产业链供应链韧性。
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