美国智库发布量子传感器产业报告，担心这条赛道被中国卡脖子？！（附下载）

近期，美国智库——新美国安全中心（Center for A New American Security，CNAS），针对量子传感器产业发布了一份报告 ， 题为《原子优势：加速美国量子传感技术，助力下一代定位、导航和授时 （PNT）》（Atomic Advantage: Accelerating U.S. Quantum Sensing for Next-Generation Positioning, Navigation, and Timing (PNT)）。

该报告由哈佛大学博士Constanza M. Vidal Bustamante撰写，并获得多位行业专家的评估。该报告阐述了量子传感——当今量子技术中最成熟的分支——如何增强美国的量子优势，弥补全球定位系统（GPS）的关键漏洞，并彻底改变美国在军事行动和关键基础设施（从电信到金融网络）中的 PNT 能力。

报告指出，在全球量子传感器领域，美国仍然处于领先地位，美国顶尖机构阵容强大，全球领先；关于量子传感器的出版物，美国出版物总量占全球24%，中国则为34%，虽然中国数量更多，但高引用论文占美国占44%，中国仅占26%，美国每5篇论文中1篇被高度引用，中国仅1/12；在国际合作中，美国也遥遥领先中国，40%美国论文有外国合著者，中国仅16%，中国作者是美国论文最常见外国合著者（9%），开放协作提升研究可信度和影响力。

然而，报告警告称，美国的领先地位正面临风险。关键的联邦研发授权已经失效，国内供应链依然脆弱，私人投资主要集中在量子计算这一新兴技术上。与此同时，中国正通过国家主导的项目、持续的资金投入和卓越的制造能力推进其量子研究。

该报告全面阐述了当前全球量子传感器产业格局，报告全文约44页，《Atomic Advantage: Accelerating U.S. Quantum Sensing for Next-Generation Positioning, Navigation, and Timing (PNT)》报告原标题，

以下为部分译文：

如今，最重要的国家安全竞赛之一正在肉眼无法触及的战场上展开——通过全球定位系统（GPS）微弱的射频信号以及单个原子的量子态。美国的定位、导航和授时（PNT）能力岌岌可危，而 PNT 正是军事、民用和商业领域精确地理定位、轨迹规划和时间同步的基础。几十年来，美国发明的 GPS 一直是全球 PNT 的支柱，但随着对手越来越多地干扰和欺骗其微弱信号，并研制用于击落其卫星的武器，该系统固有的脆弱性日益凸显。GPS 干扰已经破坏了军事行动，每天扰乱多达数千架次的商业航班；更大范围的攻击可能引发灾难性的任务失败和关键基础设施的大面积破坏，每天造成的经济损失超过 10 亿美元。

面对传统定位、导航和授时（PNT）日益增长的威胁，量子传感器提供了一种引人注目的替代方案。利用原子的不变特性，这些设备在对抗环境中提供无与伦比的测量精度、长期准确性和可靠的运行——这些能力可以支持甚至超越当前基于 GPS 的服务。量子传感器可以在几年内实现美国弹性定位、导航和授时（PNT）——从潜艇、无人机和弹药的导航，到电信网络、电网和金融系统的同步——但前提是美国持续开发和部署这项技术。

虽然原子钟——当今最成熟的量子技术——已经为 GPS 提供动力，但新兴的量子传感能力正开始展现其作为高精度、高弹性 PNT 本地源的潜力。下一代原子钟可以在更长的时间内保持计时精度。量子加速度计和陀螺仪可以更精确地测量移动平台的速度和旋转。量子重力仪和磁力仪可以参考地球独特的重力和磁场进行隐身定位。所有这些技术都无需依赖易受攻击的射频信号，即可提供增强的性能。

▲2010 - 2024 年 PNT 相关量子传感研究出版物的国家级统计数据，来源：《Atomic Advantage: Accelerating U.S. Quantum Sensing for Next-Generation Positioning, Navigation, and Timing (PNT)》

量子传感器可以在几年内帮助美国实现从潜艇、无人机和弹药的导航到电信网络、电网和金融系统的同步，中国在这方面也毫不犹豫加快了步伐

美国受益于世界领先的创新生态系统，该生态系统可以持续提升量子传感器的性能和可部署性。2018 年 《国家量子计划法案》（NQIA）将联邦政府对量子研究与开发（R&D）的资助从每年 2 亿美元增加到约 10 亿美元，推动美国从基础科学到原型开发的突破。该报告发现，美国研究机构占全球被引用次数最多的量子传感出版物的 44%，占全球最大份额，同时，一个由大约 20 家公司组成的不断壮大的工业基础——从初创公司到老牌国防承包商——正在提供尖端原型和早期商业解决方案。许多此类技术进步受益于国防部（DoD）的前瞻性举措，这些举措强调快速迭代和在军事平台上的演示，例如国防创新部门（DIU）正在进行的量子传感器转型计划。

▲2010 年至 2024 年量子传感相关主题研究出版物数量排名前 15 位的研究机构，来源：《Atomic Advantage: Accelerating U.S. Quantum Sensing for Next-Generation Positioning, Navigation, and Timing (PNT)》

然而，重大障碍依然存在，而且远不止技术瓶颈。尽管特朗普政府欣然接受美国在量子领域的领导地位，但国会尚未重新授权国家量子创新局（NQIA）于 2023 年到期的核心研发项目，这损害了民间机构的持续量子创新。私人投资也存在不确定性：尽管美国在量子技术领域吸引了最大份额的私人资本，但约 80%的资金流向了较为新兴的量子计算领域，而只有 9%流向了量子传感 。这种差异凸显了政府在推进量子定位、传感和导航（PNT）技术方面发挥的重要作用，这既包括联邦政府的直接支出（尤其是在关键的国防项目中），也包括向私营部门发出市场信号。

不幸的是，尽管量子传感器能够解决当今影响作战人员的 GPS 重大漏洞，但最近的国防开支法案却更倾向于量子计算而非传感，这加剧了这种不平衡。此外 ，国防部的量子项目缺乏统一的权威或协调以发挥最大作用，而其 PNT 监督委员会则专注于 GPS 本身的现代化——这项工作现在面临着多年的延误和数十亿美元的超支——而不是整合量子传感等替代的 PNT 解决方案 。

产业界和政府需求的不一致，导致量子传感器开发商在关键部件（例如低噪声激光器和原子蒸汽室）以及先进的微光子制造设施方面缺乏供应商基础。由于量子传感和量子计算共享许多底层组件，忽视这条共同的供应链将危及美国在整个量子技术领域的领导地位。

与此同时，作为美国最接近的量子竞争对手，中国也毫不犹豫地加快了步伐。在国家主导的战略、紧密的军民融合、持续的资金投入以及强大的制造能力的支持下，中国的量子传感研究在规模和影响力上都在迅速扩张，这些都可能使其在技术开发和应用方面超越美国。

如果不采取明确且有针对性的措施来解决这些障碍，美国量子传感技术就有可能在“死亡之谷”中苦苦挣扎，阻碍开发针对 GPS 漏洞的弹性解决方案，并削弱美国的量子优势。为了加速下一代 PNT 量子传感器的开发和部署，本报告概述了四个关键领域的政策建议：

优先为作战人员配备有弹性的下一代 PNT；

加强美国量子设备和组件的供应链和先进制造基地；

将量子 PNT 扩展到关键基础设施和更广泛的民用市场；

培育强大的美国量子创新生态系统，实现长期可持续发展。

在当今日益激烈的地缘政治竞争中，一场争夺技术优势的竞赛正在原子层面展开。量子技术利用原子的独特行为，有可能改变我们测量、处理和传递信息的方式。量子计算机能够比传统超级计算机快几个数量级地解决特定类型的问题，既可以支持分子模拟，加速新药和新材料的发现，也可以破解保护全球数字基础设施的加密协议。同时，量子网络可以将量子系统互连，协同完成复杂任务，并实现超安全通信。

如果说量子计算和量子网络的前景尚不明朗，那么量子传感的实际应用则已初见端倪。通过探测原子能级的微小变化，这些传感器实现了前所未有的灵敏度、精度和长期稳定性，重新定义了我们测量时间和重力、电磁力等基本物理力的方式。尽管这项技术可以改变从资源勘探到生物医学诊断等各个领域，但用于定位、导航和授时 (PNT) 的量子传感应用无疑是最普遍、最适用、对国家安全至关重要的应用。原子钟——当今使用最成熟的量子技术——已经为美国全球定位系统 (GPS) 提供动力，为陆、海、空、天等领域的国防系统提供 PNT 服务。GPS 也是关键基础设施（包括电网、电信网络、金融交易以及全球经济的众多领域）精密 PNT 的主要来源。

▲总部位于美国的量子传感技术公司，来源：《Atomic Advantage: Accelerating U.S. Quantum Sensing for Next-Generation Positioning, Navigation, and Timing (PNT)》

量子传感器不仅是 GPS 的可靠替代 ，而且有可能超越当前方案，中国始终将量子技术置于与人工智能、半导体同等重要的战略地位

GPS 应用的普及使其成为地缘政治对手的诱人目标，从而造成严重的国家安全漏洞。GPS 既是现代生活不可或缺的必需品，又天生易受攻击，这为攻击者提供了便利。GPS 卫星通过低功率射频（RF）信号传输信息，尤其容易受到干扰、欺骗和物理攻击。这并非空穴来风——电子战一直是东欧和中东地区持续冲突的主要手段，而最近的分析显示，美国的对手正在投资增强其反卫星能力。所有这些发展都描绘出一幅令人警醒的画面，表明美国定位、导航和导航（PNT）基础设施面临的风险正在不断升级。

各国正努力应对失去可靠 GPS 信号可能带来的灾难性后果，而量子传感器或许能够降低风险，并再次革新 PNT 能力。下一代原子钟、量子加速度计、陀螺仪、重力仪和磁力仪可以作为本地可靠的 PNT 源，无需依赖易受攻击的外部信号。量子传感器不仅可以提供可靠的 GPS 备份，还可能超越现有的替代方案：即使在对抗环境或射频信号自然衰减的情况下，量子技术也能提供更精确、更稳定、更隐蔽的 PNT。此外，它们有望支持对 PNT 要求严格的新兴技术，例如第六代 (6G) 无线网络。

推进量子传感器的部署，对美国而言是一个战略机遇，既可以解决 GPS 系统面临的紧迫漏洞，又可以巩固其全球量子技术领导地位。其投资回报可能影响深远，为国防、经济韧性和地缘政治竞争带来显著效益。增强型量子传感器不仅可以确保作战人员、关键基础设施和更广泛的商业领域的定位、时间与时间（PNT）安全，还能推动一些不太显眼但同样重要的应用领域的创新。量子传感器卓越的测量能力还可以帮助探测隐藏的敌方隧道和潜艇，推进计算机芯片的安全检查，实现便携式生物医学诊断，甚至揭开暗物质的奥秘 。

此外，共享供应链和工程技术的进步——例如增强量子传感器抵御环境干扰的能力并进一步将其组件小型化——可能会催化其他面临类似技术瓶颈的新兴领域的突破，从量子计算和网络到先进的半导体和生物技术。

▲美国政府资助的 PNT 量子传感活动，来源：《Atomic Advantage: Accelerating U.S. Quantum Sensing for Next-Generation Positioning, Navigation, and Timing (PNT)》

随着全球量子领导地位的竞争愈演愈烈，美国加快在量子传感战略领域的布局也愈发紧迫。几十年来，作为美国最接近的量子竞争对手，中华人民共和国始终将量子技术置于与人工智能和半导体同等重要的战略地位。通过积极的投资和政府主导的举措，中国正在迅速提升其量子能力，并有可能重塑国际标准，并在国防和经济创新领域取得竞争优势。事关重大：保持美国的量子领导地位不仅对国家安全至关重要，也对维护美国全球影响力所依赖的技术和经济优势至关重要。

尽管美国目前在量子定位、导航和传感领域处于世界领先地位，但不能将这一领先地位视为理所当然。数十年的联邦研发 (R&D) 资金投入使美国大学和联邦实验室在先进原子钟和量子导航传感器等高影响力研究方面处于领先地位。美国公司生态系统不断发展壮大，其中许多公司由这些研究机构培养的科学家创立，他们已经在美国军事平台上开发并展示了集成原型，一些解决方案开始进入市场。然而，重大挑战依然存在。许多量子传感器仍停留在研究和原型阶段，即使是已经上市的量子传感器也需要改进，以适应恶劣环境，并降低尺寸、重量和功耗 (SWaP) 及成本。供应链脆弱性、专业制造设施的使用受限以及私人投资低等加剧了这些技术挑战，阻碍了实验室突破向生产和大规模制造的转变。

提升美国在量子传感等新兴技术领域的更广泛领导地位

尽管挑战重重，但进展触手可及。在美国政府持续果断的领导下，并与产业界和学术界合作，量子传感器有望在几年内成熟，并应用于军事任务和关键基础设施的定位、导航和时间控制 (PNT)。如果不采取行动，世界上最强大的传感器可能会被打入“死亡之谷”，创新在从实验室到市场的过渡过程中可能会停滞不前。最终，政策上的不作为将错失一个利用美国量子传感创新解决 GPS 漏洞、增强美国作战部队和经济韧性以及提升美国在新兴技术领域更广泛领导地位的独特机会。

本报告探讨了美国如何加速下一代 PNT（定位、导航、导航与控制）量子传感器的开发和部署。报告首先回顾了当前 GPS 系统固有的国家安全漏洞，并概述了量子传感在提供精确可靠的 PNT（定位、导航与控制）方面的预期作用。随后，报告概述了主要的量子传感器技术及其与现有 PNT 替代方案相比的性能和成熟度。报告随后评估了美国的量子传感生态系统——从总体国家战略和具体的政府项目到国家的研究和工业基础——并与中国进行了比较。报告随后回顾了阻碍美国广泛应用量子 PNT 的主要挑战。

最后，报告提出了有针对性的政策建议，以加速量子传感器的开发和应用，为美国打造安全、有弹性的 PNT 基础设施，并巩固美国在量子技术领域的领导地位。