近期，美國智庫——新美國安全中心（Center for A New American Security，CNAS），針對量子傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)布了一份報告 ， 題為《原子優(yōu)勢：加速美國量子傳感技術(shù)，助力下一代定位、導(dǎo)航和授時 （PNT）》（Atomic Advantage: Accelerating U.S. Quantum Sensing for Next-Generation Positioning, Navigation, and Timing (PNT)）。

該報告由哈佛大學(xué)博士Constanza M. Vidal Bustamante撰寫，并獲得多位行業(yè)專家的評估。該報告闡述了量子傳感——當(dāng)今量子技術(shù)中最成熟的分支——如何增強美國的量子優(yōu)勢，彌補全球定位系統(tǒng)（GPS）的關(guān)鍵漏洞，并徹底改變美國在軍事行動和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施（從電信到金融網(wǎng)絡(luò)）中的 PNT 能力。

報告指出，在全球量子傳感器領(lǐng)域，美國仍然處于領(lǐng)先地位，美國頂尖機構(gòu)陣容強大，全球領(lǐng)先；關(guān)于量子傳感器的出版物，美國出版物總量占全球24%，中國則為34%，雖然中國數(shù)量更多，但高引用論文占美國占44%，中國僅占26%，美國每5篇論文中1篇被高度引用，中國僅1/12；在國際合作中，美國也遙遙領(lǐng)先中國，40%美國論文有外國合著者，中國僅16%，中國作者是美國論文最常見外國合著者（9%），開放協(xié)作提升研究可信度和影響力。

然而，報告警告稱，美國的領(lǐng)先地位正面臨風(fēng)險。關(guān)鍵的聯(lián)邦研發(fā)授權(quán)已經(jīng)失效，國內(nèi)供應(yīng)鏈依然脆弱，私人投資主要集中在量子計算這一新興技術(shù)上。與此同時，中國正通過國家主導(dǎo)的項目、持續(xù)的資金投入和卓越的制造能力推進(jìn)其量子研究。

該報告全面闡述了當(dāng)前全球量子傳感器產(chǎn)業(yè)格局，報告全文約44頁，《Atomic Advantage: Accelerating U.S. Quantum Sensing for Next-Generation Positioning, Navigation, and Timing (PNT)》報告原標(biāo)題，

以下為部分譯文：

如今，最重要的國家安全競賽之一正在肉眼無法觸及的戰(zhàn)場上展開——通過全球定位系統(tǒng)（GPS）微弱的射頻信號以及單個原子的量子態(tài)。美國的定位、導(dǎo)航和授時（PNT）能力岌岌可危，而 PNT 正是軍事、民用和商業(yè)領(lǐng)域精確地理定位、軌跡規(guī)劃和時間同步的基礎(chǔ)。幾十年來，美國發(fā)明的 GPS 一直是全球 PNT 的支柱，但隨著對手越來越多地干擾和欺騙其微弱信號，并研制用于擊落其衛(wèi)星的武器，該系統(tǒng)固有的脆弱性日益凸顯。GPS 干擾已經(jīng)破壞了軍事行動，每天擾亂多達(dá)數(shù)千架次的商業(yè)航班；更大范圍的攻擊可能引發(fā)災(zāi)難性的任務(wù)失敗和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的大面積破壞，每天造成的經(jīng)濟損失超過 10 億美元。

面對傳統(tǒng)定位、導(dǎo)航和授時（PNT）日益增長的威脅，量子傳感器提供了一種引人注目的替代方案。利用原子的不變特性，這些設(shè)備在對抗環(huán)境中提供無與倫比的測量精度、長期準(zhǔn)確性和可靠的運行——這些能力可以支持甚至超越當(dāng)前基于 GPS 的服務(wù)。量子傳感器可以在幾年內(nèi)實現(xiàn)美國彈性定位、導(dǎo)航和授時（PNT）——從潛艇、無人機和彈藥的導(dǎo)航，到電信網(wǎng)絡(luò)、電網(wǎng)和金融系統(tǒng)的同步——但前提是美國持續(xù)開發(fā)和部署這項技術(shù)。

雖然原子鐘——當(dāng)今最成熟的量子技術(shù)——已經(jīng)為 GPS 提供動力，但新興的量子傳感能力正開始展現(xiàn)其作為高精度、高彈性 PNT 本地源的潛力。下一代原子鐘可以在更長的時間內(nèi)保持計時精度。量子加速度計和陀螺儀可以更精確地測量移動平臺的速度和旋轉(zhuǎn)。量子重力儀和磁力儀可以參考地球獨特的重力和磁場進(jìn)行隱身定位。所有這些技術(shù)都無需依賴易受攻擊的射頻信號，即可提供增強的性能。

▲2010 - 2024 年 PNT 相關(guān)量子傳感研究出版物的國家級統(tǒng)計數(shù)據(jù)，來源：《Atomic Advantage: Accelerating U.S. Quantum Sensing for Next-Generation Positioning, Navigation, and Timing (PNT)》

量子傳感器可以在幾年內(nèi)幫助美國實現(xiàn)從潛艇、無人機和彈藥的導(dǎo)航到電信網(wǎng)絡(luò)、電網(wǎng)和金融系統(tǒng)的同步，中國在這方面也毫不猶豫加快了步伐

美國受益于世界領(lǐng)先的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，該生態(tài)系統(tǒng)可以持續(xù)提升量子傳感器的性能和可部署性。2018 年 《國家量子計劃法案》（NQIA）將聯(lián)邦政府對量子研究與開發(fā)（R&D）的資助從每年 2 億美元增加到約 10 億美元，推動美國從基礎(chǔ)科學(xué)到原型開發(fā)的突破。該報告發(fā)現(xiàn)，美國研究機構(gòu)占全球被引用次數(shù)最多的量子傳感出版物的 44%，占全球最大份額，同時，一個由大約 20 家公司組成的不斷壯大的工業(yè)基礎(chǔ)——從初創(chuàng)公司到老牌國防承包商——正在提供尖端原型和早期商業(yè)解決方案。許多此類技術(shù)進(jìn)步受益于國防部（DoD）的前瞻性舉措，這些舉措強調(diào)快速迭代和在軍事平臺上的演示，例如國防創(chuàng)新部門（DIU）正在進(jìn)行的量子傳感器轉(zhuǎn)型計劃。

▲2010 年至 2024 年量子傳感相關(guān)主題研究出版物數(shù)量排名前 15 位的研究機構(gòu)，來源：《Atomic Advantage: Accelerating U.S. Quantum Sensing for Next-Generation Positioning, Navigation, and Timing (PNT)》

然而，重大障礙依然存在，而且遠(yuǎn)不止技術(shù)瓶頸。盡管特朗普政府欣然接受美國在量子領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，但國會尚未重新授權(quán)國家量子創(chuàng)新局（NQIA）于 2023 年到期的核心研發(fā)項目，這損害了民間機構(gòu)的持續(xù)量子創(chuàng)新。私人投資也存在不確定性：盡管美國在量子技術(shù)領(lǐng)域吸引了最大份額的私人資本，但約 80%的資金流向了較為新興的量子計算領(lǐng)域，而只有 9%流向了量子傳感 。這種差異凸顯了政府在推進(jìn)量子定位、傳感和導(dǎo)航（PNT）技術(shù)方面發(fā)揮的重要作用，這既包括聯(lián)邦政府的直接支出（尤其是在關(guān)鍵的國防項目中），也包括向私營部門發(fā)出市場信號。

不幸的是，盡管量子傳感器能夠解決當(dāng)今影響作戰(zhàn)人員的 GPS 重大漏洞，但最近的國防開支法案卻更傾向于量子計算而非傳感，這加劇了這種不平衡。此外 ，國防部的量子項目缺乏統(tǒng)一的權(quán)威或協(xié)調(diào)以發(fā)揮最大作用，而其 PNT 監(jiān)督委員會則專注于 GPS 本身的現(xiàn)代化——這項工作現(xiàn)在面臨著多年的延誤和數(shù)十億美元的超支——而不是整合量子傳感等替代的 PNT 解決方案 。

產(chǎn)業(yè)界和政府需求的不一致，導(dǎo)致量子傳感器開發(fā)商在關(guān)鍵部件（例如低噪聲激光器和原子蒸汽室）以及先進(jìn)的微光子制造設(shè)施方面缺乏供應(yīng)商基礎(chǔ)。由于量子傳感和量子計算共享許多底層組件，忽視這條共同的供應(yīng)鏈將危及美國在整個量子技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

與此同時，作為美國最接近的量子競爭對手，中國也毫不猶豫地加快了步伐。在國家主導(dǎo)的戰(zhàn)略、緊密的軍民融合、持續(xù)的資金投入以及強大的制造能力的支持下，中國的量子傳感研究在規(guī)模和影響力上都在迅速擴張，這些都可能使其在技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用方面超越美國。

如果不采取明確且有針對性的措施來解決這些障礙，美國量子傳感技術(shù)就有可能在“死亡之谷”中苦苦掙扎，阻礙開發(fā)針對 GPS 漏洞的彈性解決方案，并削弱美國的量子優(yōu)勢。為了加速下一代 PNT 量子傳感器的開發(fā)和部署，本報告概述了四個關(guān)鍵領(lǐng)域的政策建議：

優(yōu)先為作戰(zhàn)人員配備有彈性的下一代 PNT；

加強美國量子設(shè)備和組件的供應(yīng)鏈和先進(jìn)制造基地；

將量子 PNT 擴展到關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和更廣泛的民用市場；

培育強大的美國量子創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)長期可持續(xù)發(fā)展。

在當(dāng)今日益激烈的地緣政治競爭中，一場爭奪技術(shù)優(yōu)勢的競賽正在原子層面展開。量子技術(shù)利用原子的獨特行為，有可能改變我們測量、處理和傳遞信息的方式。量子計算機能夠比傳統(tǒng)超級計算機快幾個數(shù)量級地解決特定類型的問題，既可以支持分子模擬，加速新藥和新材料的發(fā)現(xiàn)，也可以破解保護全球數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的加密協(xié)議。同時，量子網(wǎng)絡(luò)可以將量子系統(tǒng)互連，協(xié)同完成復(fù)雜任務(wù)，并實現(xiàn)超安全通信。

如果說量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)的前景尚不明朗，那么量子傳感的實際應(yīng)用則已初見端倪。通過探測原子能級的微小變化，這些傳感器實現(xiàn)了前所未有的靈敏度、精度和長期穩(wěn)定性，重新定義了我們測量時間和重力、電磁力等基本物理力的方式。盡管這項技術(shù)可以改變從資源勘探到生物醫(yī)學(xué)診斷等各個領(lǐng)域，但用于定位、導(dǎo)航和授時 (PNT) 的量子傳感應(yīng)用無疑是最普遍、最適用、對國家安全至關(guān)重要的應(yīng)用。原子鐘——當(dāng)今使用最成熟的量子技術(shù)——已經(jīng)為美國全球定位系統(tǒng) (GPS) 提供動力，為陸、海、空、天等領(lǐng)域的國防系統(tǒng)提供 PNT 服務(wù)。GPS 也是關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施（包括電網(wǎng)、電信網(wǎng)絡(luò)、金融交易以及全球經(jīng)濟的眾多領(lǐng)域）精密 PNT 的主要來源。

▲總部位于美國的量子傳感技術(shù)公司，來源：《Atomic Advantage: Accelerating U.S. Quantum Sensing for Next-Generation Positioning, Navigation, and Timing (PNT)》

量子傳感器不僅是 GPS 的可靠替代 ，而且有可能超越當(dāng)前方案，中國始終將量子技術(shù)置于與人工智能、半導(dǎo)體同等重要的戰(zhàn)略地位

GPS 應(yīng)用的普及使其成為地緣政治對手的誘人目標(biāo)，從而造成嚴(yán)重的國家安全漏洞。GPS 既是現(xiàn)代生活不可或缺的必需品，又天生易受攻擊，這為攻擊者提供了便利。GPS 衛(wèi)星通過低功率射頻（RF）信號傳輸信息，尤其容易受到干擾、欺騙和物理攻擊。這并非空穴來風(fēng)——電子戰(zhàn)一直是東歐和中東地區(qū)持續(xù)沖突的主要手段，而最近的分析顯示，美國的對手正在投資增強其反衛(wèi)星能力。所有這些發(fā)展都描繪出一幅令人警醒的畫面，表明美國定位、導(dǎo)航和導(dǎo)航（PNT）基礎(chǔ)設(shè)施面臨的風(fēng)險正在不斷升級。

各國正努力應(yīng)對失去可靠 GPS 信號可能帶來的災(zāi)難性后果，而量子傳感器或許能夠降低風(fēng)險，并再次革新 PNT 能力。下一代原子鐘、量子加速度計、陀螺儀、重力儀和磁力儀可以作為本地可靠的 PNT 源，無需依賴易受攻擊的外部信號。量子傳感器不僅可以提供可靠的 GPS 備份，還可能超越現(xiàn)有的替代方案：即使在對抗環(huán)境或射頻信號自然衰減的情況下，量子技術(shù)也能提供更精確、更穩(wěn)定、更隱蔽的 PNT。此外，它們有望支持對 PNT 要求嚴(yán)格的新興技術(shù)，例如第六代 (6G) 無線網(wǎng)絡(luò)。

推進(jìn)量子傳感器的部署，對美國而言是一個戰(zhàn)略機遇，既可以解決 GPS 系統(tǒng)面臨的緊迫漏洞，又可以鞏固其全球量子技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位。其投資回報可能影響深遠(yuǎn)，為國防、經(jīng)濟韌性和地緣政治競爭帶來顯著效益。增強型量子傳感器不僅可以確保作戰(zhàn)人員、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和更廣泛的商業(yè)領(lǐng)域的定位、時間與時間（PNT）安全，還能推動一些不太顯眼但同樣重要的應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新。量子傳感器卓越的測量能力還可以幫助探測隱藏的敵方隧道和潛艇，推進(jìn)計算機芯片的安全檢查，實現(xiàn)便攜式生物醫(yī)學(xué)診斷，甚至揭開暗物質(zhì)的奧秘 。

此外，共享供應(yīng)鏈和工程技術(shù)的進(jìn)步——例如增強量子傳感器抵御環(huán)境干擾的能力并進(jìn)一步將其組件小型化——可能會催化其他面臨類似技術(shù)瓶頸的新興領(lǐng)域的突破，從量子計算和網(wǎng)絡(luò)到先進(jìn)的半導(dǎo)體和生物技術(shù)。

▲美國政府資助的 PNT 量子傳感活動，來源：《Atomic Advantage: Accelerating U.S. Quantum Sensing for Next-Generation Positioning, Navigation, and Timing (PNT)》

隨著全球量子領(lǐng)導(dǎo)地位的競爭愈演愈烈，美國加快在量子傳感戰(zhàn)略領(lǐng)域的布局也愈發(fā)緊迫。幾十年來，作為美國最接近的量子競爭對手，中華人民共和國始終將量子技術(shù)置于與人工智能和半導(dǎo)體同等重要的戰(zhàn)略地位。通過積極的投資和政府主導(dǎo)的舉措，中國正在迅速提升其量子能力，并有可能重塑國際標(biāo)準(zhǔn)，并在國防和經(jīng)濟創(chuàng)新領(lǐng)域取得競爭優(yōu)勢。事關(guān)重大：保持美國的量子領(lǐng)導(dǎo)地位不僅對國家安全至關(guān)重要，也對維護美國全球影響力所依賴的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢至關(guān)重要。

盡管美國目前在量子定位、導(dǎo)航和傳感領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，但不能將這一領(lǐng)先地位視為理所當(dāng)然。數(shù)十年的聯(lián)邦研發(fā) (R&D) 資金投入使美國大學(xué)和聯(lián)邦實驗室在先進(jìn)原子鐘和量子導(dǎo)航傳感器等高影響力研究方面處于領(lǐng)先地位。美國公司生態(tài)系統(tǒng)不斷發(fā)展壯大，其中許多公司由這些研究機構(gòu)培養(yǎng)的科學(xué)家創(chuàng)立，他們已經(jīng)在美國軍事平臺上開發(fā)并展示了集成原型，一些解決方案開始進(jìn)入市場。然而，重大挑戰(zhàn)依然存在。許多量子傳感器仍停留在研究和原型階段，即使是已經(jīng)上市的量子傳感器也需要改進(jìn)，以適應(yīng)惡劣環(huán)境，并降低尺寸、重量和功耗 (SWaP) 及成本。供應(yīng)鏈脆弱性、專業(yè)制造設(shè)施的使用受限以及私人投資低等加劇了這些技術(shù)挑戰(zhàn)，阻礙了實驗室突破向生產(chǎn)和大規(guī)模制造的轉(zhuǎn)變。

提升美國在量子傳感等新興技術(shù)領(lǐng)域的更廣泛領(lǐng)導(dǎo)地位

盡管挑戰(zhàn)重重，但進(jìn)展觸手可及。在美國政府持續(xù)果斷的領(lǐng)導(dǎo)下，并與產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界合作，量子傳感器有望在幾年內(nèi)成熟，并應(yīng)用于軍事任務(wù)和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的定位、導(dǎo)航和時間控制 (PNT)。如果不采取行動，世界上最強大的傳感器可能會被打入“死亡之谷”，創(chuàng)新在從實驗室到市場的過渡過程中可能會停滯不前。最終，政策上的不作為將錯失一個利用美國量子傳感創(chuàng)新解決 GPS 漏洞、增強美國作戰(zhàn)部隊和經(jīng)濟韌性以及提升美國在新興技術(shù)領(lǐng)域更廣泛領(lǐng)導(dǎo)地位的獨特機會。

本報告探討了美國如何加速下一代 PNT（定位、導(dǎo)航、導(dǎo)航與控制）量子傳感器的開發(fā)和部署。報告首先回顧了當(dāng)前 GPS 系統(tǒng)固有的國家安全漏洞，并概述了量子傳感在提供精確可靠的 PNT（定位、導(dǎo)航與控制）方面的預(yù)期作用。隨后，報告概述了主要的量子傳感器技術(shù)及其與現(xiàn)有 PNT 替代方案相比的性能和成熟度。報告隨后評估了美國的量子傳感生態(tài)系統(tǒng)——從總體國家戰(zhàn)略和具體的政府項目到國家的研究和工業(yè)基礎(chǔ)——并與中國進(jìn)行了比較。報告隨后回顧了阻礙美國廣泛應(yīng)用量子 PNT 的主要挑戰(zhàn)。

最后，報告提出了有針對性的政策建議，以加速量子傳感器的開發(fā)和應(yīng)用，為美國打造安全、有彈性的 PNT 基礎(chǔ)設(shè)施，并鞏固美國在量子技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。