5月28日，美国智库新美国安全中心（CNAS）发布报告《原子优势：加速美国下一代定位、导航和授时（PNT）的量子传感技术》^[1]，深入探讨了量子传感技术在下一代PNT系统中的应用前景，并提出了一系列加速美国量子传感技术发展的政策建议。报告强调，量子传感技术不仅能够为美国提供更精确、更可靠的PNT能力，还能在国家安全和经济竞争力方面带来显著优势。

一、下一代PNT开发的重要意义

PNT在军民领域都有着广泛的应用。在国家安全方面，军事通信和导弹制导调度依赖精确授时，国防行动中的导航、无人机安全控制、潜艇隐身移动等也依赖精确定位。在民用领域，PNT的应用涵盖了从商业航班和自动驾驶汽车的可靠导航到电网、电信网络和金融交易的同步。

美国主导的全球定位系统（GPS），是目前全球PNT服务的支柱。然而，GPS的漏洞越来越多，从无意的信号中断，到蓄意的信号干扰，甚至其卫星和支撑基础设施遭到直接攻击。近年来，故意干扰GPS的情况急剧增加。为解决GPS漏洞，并可靠地访问可信授时和导航信息，量子传感从正在开发的PNT方法中脱颖而出。

二、面向下一代PNT的核心量子传感器

量子传感器为下一代PNT技术在军用和民用平台上广泛应用带来变革性前景。这些传感器将利用量子力学基本原理，提供前所未有的精度、灵敏度、准确度和稳定性。

1、原子钟。原子钟技术的进步将提升PNT的精度，并增强在GPS信号缺失环境下的定位保持能力，涵盖从精确军事行动到电信和金融交易等多种应用领域。主要包括两类：一是微波原子钟，如氢原子钟、铯原子钟等，已用于基于全球导航卫星系统的定时和导航，建立协调世界时和通信及网络定时协议，其优势是长期稳定性显著提高以及对温度不太敏感。但当前的问题是10秒以下的短期稳定性不如传统的晶体振荡器，芯片级原子钟（CSAC）的性能仍然不超过微秒精度，且单位成本相对较高。未来将聚焦降低成本并提高CSAC性能。二是光学原子钟。便携式设备进入市场，用于军事平台和关键基础设施。预计在2030年左右，性能最高的版本将重新定义国际时间单位秒。与传统原子钟和微波原子钟相比，光学原子钟的短期和长期稳定性及准确性均有显著提高，对温度也不太敏感。当前的问题是，激光器和频率梳的加入使得它们比微波时钟更难小型化，且远远达不到芯片级集成。未来的发展包括小型化和集成组件激光系统、频率梳和光学元件，以及提高坚固性。

2、量子惯性传感器：加速度计和陀螺仪。量子惯性传感器的早期原型被集成到惯性导航系统中，具有卓越的长期稳定性和准确性，需要重新校准的精密加工部件更少，从而可实现更长的使用寿命以及更低的尺寸、重量、功率和成本（SWaP‑C）。当前的问题是，其短期性能可能实际上无法超越半球谐振陀螺仪等成熟经典传感器，至少在量子实现较低的SWaP-C之前是这样。未来的发展将聚焦提高快速变化运动下的性能，减少SWaP‑C，以及更好地与传统系统集成以提高短期性能。

3、原子重力仪。已有进入地球物理调查市场的移动设备以及早期用于海上重力辅助导航（GravNav）的便携式原型。其优势是具有卓越的长期稳定性和准确性，无需在新地点重新校准，可为GravNav创建高质量的重力图，可以限制加速度计和陀螺仪的误差，无需额外的运动稳定硬件。当前的问题是，仅提供经度和纬度，可以用深度/压力传感器来补充；GravNav定位精度受重力图质量的限制。未来发展将聚焦改进平台上的安装和系统集成，提高坚固性，形成更高质量的重力场图来进一步提高GravNav的性能。

4、原子磁力仪。已商业化用于磁场勘测和生物医学应用的微型设备，以及用于空中磁异常辅助导航（MagNav）的早期便携式原型机。具有卓越的长期稳定性和准确性，为MagNav创建高质量的磁力图；MagNav隐身性能好，可在各种天气条件下甚至在稀疏的地形上正常工作。当前的问题是，对平台诱导效应和环境变化敏感，磁力图质量限制了磁导航定位精度，仅提供经度和纬度，额外的气压计或雷达高度计可以提供高度。未来发展将聚焦改进矢量场测量（即测量幅度和方向），改善不同操作条件下的集成和校准，改进平台上的安装和系统集成，为MagNav在不同高度收集高质量的磁力图。

三、中美量子传感生态系统的比较评估

1、中美国家战略部署对比。美国国家科学技术委员会（NSTC）2022年发布的《实现量子传感器》报告，是美国的量子传感国家战略，概述了量子传感器的各种类型和应用，包括PNT、隧道和矿床等地下结构的测绘、生物医学诊断以及基础研究和计量，但没有重点评估量子PNT的挑战或目标。中国的“十三五”科技规划明确提到了“量子导航”和“泛在精确导航与位置服务”，“十四五”规划将量子科技的发展扩展到包括“量子精密测量技术”，《计量发展规划（2021~2035年）》则要求使用量子传感器和芯片级计量标准来增强精密测量，2035年的目标是实现“以量子计量为核心的国家现代先进计量体系”。

2、中美政府研发投资对比。2019~2024财年，美国对量子科技的总支出接近50.8亿美元，量子传感获得11.9亿美元，约占总投资的23%，略低于量子计算。2024财年的量子资助保持稳定，但这种稳定性基本来自国防部资金的增加，而国家科学基金会（NSF）的量子预算比2023财年下降了27%。然而，最近的国防拨款法案草案更倾向于量子计算而非量子传感，美国量子传感研发资金面临不确定性。中国对量子科技领域的支持一直保持稳定且力度可观，尽管缺乏可靠的官方数据，但美国分析人士估计，中国每年在量子科技领域的公共支出在8400万美元到30多亿美元之间。

3、中美政府研发项目对比。美国多个联邦机构已推进量子传感在PNT领域的应用，涵盖研发、原型设计、供应链风险监测、基准建立和用例开发。国防部是推动量子传感技术在现实世界PNT应用开发和部署的主要联邦机构，一些值得注意的研发工作包括：空军研究实验室（AFRL）量子传感与授时小组为各种传感器开展的下一代光钟、微腔光梳和超冷原子系统方面的工作；海军研究办公室和海军研究实验室为惯性和重力传感器开展的原子干涉测量工作；陆军研究实验室的QIS‑PNT研究计划；国防部研究与工程副部长办公室通过“加速创新技术采购与部署”（APFIT）项目为低速率初始生产提供资金支持，2024年拨款2200万美元用于生产机架式光钟，帮助小型企业和非传统国防承包商跨越“死亡谷”，从成功的原型到投入使用。在中国，科技部、国家自然科学基金委、工信部等政府部门也在大力支持量子科技。其中，工信部在国家重点研发计划下，为包括量子精密测量在内的量子技术设立了专项资金和激励措施；国家自然科学基金委2025年通过“高精度量子操控与探测重大研究计划”推进量子计量的基础科学研究，将在2026~2028年资助35个项目。

4、中美论文对比。中国在与PNT相关的量子传感论文总数方面处于领先地位。2010~2024年，中国PNT相关的量子传感论文为3675篇，占全球论文的34%，位列世界第一，美国为2507篇，占比24%，位居第二。但美国论文的影响力更大。从高被引论文的角度，美国共有496篇PNT相关的高被引论文，占全球的44%，位居第一；中国为295篇，占比26%，位居第二。但从2022年开始，中国的高被引论文也超过了美国。美国有10所大学跻身全球量子传感研究影响力前15名机构，排名前三位的分别是美国国家标准与技术研究院（NIST）、科罗拉多大学、加州理工学院，中国和德国分别有3所（北京航空航天大学、中国科学院大学和清华大学）和2所机构上榜。

5、中美产业基础对比。美国约有20家公司致力于开发原子钟和其他先进的量子PNT传感器及支持软件。这些公司既有初创公司，也有成熟的中小型企业，甚至还有大型国防承包商。已有商业化产品的公司主要包括：泰莱达（Teledyne）科技公司，芯片级原子钟；Geometrics公司，原子磁力仪；Vescent公司，光学原子钟及其组件；AOSense公司，原子重力仪、冷原子微波钟等；QuSpin公司，原子磁力仪。中国在量子技术领域的私营企业规模相对较小，尤其是在量子传感领域。公开报告显示，中国有8家量子传感公司。此外，中国的国有企业推动着许多先进的研发和原型设计。尽管量子传感公司数量较少，但中国拥有比美国更强大的制造业基础和蓬勃发展的光子学领域，包括北京、上海，尤其是合肥在内的中国城市正在积极发展区域量子生态系统。

总之，美国量子传感生态系统凭借高影响力的研究、充满活力的产业基础和大量的联邦投资，推动了突破性创新和稳健的技术部署。然而，美国尖端研究成果转化为可操作的量子PNT系统仍面临诸多挑战，包括政府监管分散、资金投入不一致、私人投资有限以及关键零部件供应链的脆弱性。

四、推进美国下一代PNT量子传感技术的建议

1、优先为作战人员配备有弹性的下一代PNT。国防部必须加快将量子传感器集成到军事平台中。应在五角大楼建立联合量子办公室，负责协调和维持各军种量子技术的资金、原型和采购。与此同时，PNT监督委员会应通过发布明确的平台优先事项和采用时间表，以及强制要求模块化设计和开放标准，使新兴PNT技术能够灵活整合，来支持该部门对替代PNT解决方案的追求。为弥合死亡谷，国防部还应通过国防创新部门（DIU）的“量子传感器过渡”计划扩大在作战平台上的快速原型制作工作，以及通过APFIT项目支持低速率的初始生产。在地面、海上、空中和太空平台上的示范，以及坚定的采购途径，将确保下一代原子钟、惯性传感器、重力仪和磁力计从实验室迅速转移到作战人员，在竞争环境中提供精确、有弹性的PNT。

2、加强美国量子器件和组件的供应链和先进制造基地。国防部应持续监测量子传感供应链中的漏洞，与商务部、国务院和情报界合作，解决差距，使专用组件和材料的来源多样化。与此同时，扩大接入和能力，缩短集成光子学制造创新研究所、桑迪亚国家实验室、通过微电子公共中心的新铸造厂等集成光子制造设施的周转时间，将促进量子传感器的大规模小型化和集成。全额资助国防部“量子工业基地加速项目”，以减少对海外供应商的依赖，并确保美国开发商能可靠地为国防和商业市场生产尖端的量子传感器。

3、将量子PNT扩展到关键基础设施和更广泛的民用市场。国土安全部、交通部、商务部和能源部应与国防部合作，将量子PNT从军事应用扩展到关键的民用基础设施，包括电信、交通、银行和能源。关键步骤包括更新国家量子传感战略，明确PNT的时间表和性能基准；在NSTC下成立一个跨部门量子PNT工作组，协调研发、示范和制定标准；通过试点项目和有针对性的财政激励措施，促进技术开发商和最终用户之间的伙伴关系。

4、培育稳健的美国量子创新生态系统，实现长期可持续发展。一个充满活力的研究和人才创新生态系统对于美国在量子技术领域的持续领导地位至关重要。政策制定者应重新授权《国家量子计划法案》，以重申联邦承诺并更新国家量子战略。同时，NIST、NSF和能源部等机构必须大幅扩大量子工程研发，投资先进的测试平台、材料和制造技术，以提高传感器性能，减小尺寸、重量和功率。通过量子劳动力中心、行业-学术伙伴关系以及工程和物理专业课程等，培养一个强大的从技术人员课程到研究生学位的国内人才管道。通过培养可以开展尖端研究的熟练的专业人员，美国将推动量子传感领域的持续突破，并保持位于下一代技术发展的前沿。

（黄龙光）