NSF的激光干涉儀引力波觀測(cè)站(LIGO)是超過(guò)40年基礎(chǔ)研究和超過(guò)10億美元投資的結(jié)果。在首次觀測(cè)的一個(gè)世紀(jì)前，愛(ài)因斯坦就預(yù)言了引力波的存在，并于1981年首次提出利用壓縮光來(lái)打破標(biāo)準(zhǔn)量子極限。在最初資助時(shí)，LIGO是NSF最大的單筆資助。從最初的投資到產(chǎn)生對(duì)引力波的觀測(cè)，花了20多年的時(shí)間；這證明了持續(xù)和耐心管理的價(jià)值。迄今為止，已經(jīng)有超過(guò)90次探測(cè)到由黑洞合并、黑洞-中子星合并和中子星碰撞產(chǎn)生的引力波事件。國(guó)際上正在努力建造更多基于地面的干涉儀，以及一個(gè)名為L(zhǎng)ISA的天基干涉儀。圖中從左到右是使用壓縮光探測(cè)引力波的早期示意圖(a)，先進(jìn)LIGO的四重鐘擺懸掛系統(tǒng)(b)，在LIGO部署壓縮光光路(c)，可以提醒手機(jī)引力波探測(cè)事件的應(yīng)用程序(d)，世界各地現(xiàn)有和發(fā)展中的重力觀測(cè)站的地圖(e)。

量子光學(xué)領(lǐng)域也為超分辨率和非侵入性或低侵入性提供了成像的基礎(chǔ)。這些概念可能為生物醫(yī)學(xué)提供新型顯微鏡。單光子和光子數(shù)態(tài)探測(cè)器可以應(yīng)用于DNA測(cè)序、酶活性跟蹤、粒子物理學(xué)、暗物質(zhì)搜索、量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和微光遙感，如高級(jí)激光雷達(dá)。

通過(guò)量子態(tài)層析成像、量子門集層析成像和量子過(guò)程層析成像的量子傳感器可以闡明量子計(jì)算機(jī)原型和組件的行為。這些用于材料和器件的復(fù)雜探針可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)超導(dǎo)量子比特、離子阱量子比特、金剛石NV色心以及固態(tài)材料中的其他設(shè)計(jì)雜質(zhì)的更好理解。

5.原子電場(chǎng)傳感器

原子電場(chǎng)傳感器可以使用里德堡原子態(tài)作為換能器或量子天線，來(lái)測(cè)量從直流(0 Hz)到太赫茲(1012 Hz)的寬頻率范圍內(nèi)的電磁場(chǎng)。太赫茲輻射的探測(cè)、信號(hào)處理和成像可以通過(guò)使用相干光譜學(xué)方法的光學(xué)讀出來(lái)實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)技術(shù)為遙感和電測(cè)的新能力提供了機(jī)會(huì)，有可能擴(kuò)大太赫茲范圍內(nèi)的新應(yīng)用。此外，原子電場(chǎng)傳感器提供了減小天線尺寸和改善射頻濾波的機(jī)會(huì)。其他應(yīng)用包括擴(kuò)大蜂窩塔之間的距離，以及采集具有寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)。

面臨什么挑戰(zhàn)？又該如何克服？

量子傳感可以說(shuō)是量子技術(shù)中最成熟的子類別；相比之下，量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)處于早期的發(fā)展階段。鑒于目前的情況，如果一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)能夠克服，一些量子傳感器有望在短期內(nèi)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生影響。

將量子傳感器從概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)帶到可部署產(chǎn)品仍然需要克服許多障礙。首先，巨大的應(yīng)用空間和潛在用戶需求，使得人們很難專注于特定的應(yīng)用或需求。此外，許多量子傳感器的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力和商業(yè)價(jià)值仍在確定之中。因此，研發(fā)工作是分散的。與此同時(shí)，從基礎(chǔ)研究到成功產(chǎn)品的漫長(zhǎng)道路需要大量和持續(xù)的資金，通常需要幾次協(xié)調(diào)推進(jìn)。

鑒于不同用戶群體的不同需求，應(yīng)制定一項(xiàng)長(zhǎng)期戰(zhàn)略，使多個(gè)機(jī)構(gòu)保持一致，并將私營(yíng)部門利益相關(guān)者團(tuán)結(jié)在一些特定應(yīng)用和關(guān)鍵支持技術(shù)的開(kāi)發(fā)上。對(duì)于任何一個(gè)機(jī)構(gòu)、大學(xué)或公司都無(wú)法獨(dú)自維持的研發(fā)工作來(lái)說(shuō)，一個(gè)有凝聚力的、全系統(tǒng)的方法尤其重要。與私營(yíng)部門進(jìn)行更多協(xié)調(diào)，使量子技術(shù)更加高效成熟，這將得益于知識(shí)產(chǎn)權(quán)、收購(gòu)、研究安全和適當(dāng)伙伴關(guān)系的協(xié)調(diào)努力。

建議一：領(lǐng)導(dǎo)QIST研發(fā)的機(jī)構(gòu)應(yīng)該加快開(kāi)發(fā)新的量子傳感方法，并優(yōu)先與最終用戶建立適當(dāng)?shù)幕锇殛P(guān)系，以提高新量子傳感器的技術(shù)成熟度。

面臨的挑戰(zhàn)：許多進(jìn)行基礎(chǔ)研究的科學(xué)家缺乏他們的工作最終可能被應(yīng)用的廣闊領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)。這包括熟悉當(dāng)前(競(jìng)爭(zhēng)性)技術(shù)以及在作戰(zhàn)環(huán)境中部署傳感器的嚴(yán)格要求。找到具有互補(bǔ)知識(shí)的專家和最終用戶是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，而且回報(bào)可能需要很長(zhǎng)的周期。這些時(shí)間可能與晉升和任期標(biāo)準(zhǔn)不一致，對(duì)新的聯(lián)合項(xiàng)目缺乏方案資源或機(jī)構(gòu)支持(據(jù)認(rèn)為)會(huì)減緩進(jìn)展。也很難預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)和演示是否或何時(shí)會(huì)產(chǎn)生商業(yè)、科學(xué)相關(guān)的設(shè)備，或幫助機(jī)構(gòu)完成任務(wù)。

建議：領(lǐng)導(dǎo)QIST研發(fā)的機(jī)構(gòu)，如NIST、NSF、DOE、DOD、NASA和情報(bào)界，應(yīng)該與量子傳感器原型的潛在最終用戶合作，共同測(cè)試、開(kāi)發(fā)和傳播最終用戶應(yīng)用的結(jié)果。該建議的目標(biāo)是加速原型的基礎(chǔ)研發(fā)、測(cè)試和利用。這些機(jī)構(gòu)應(yīng)該尋求與美國(guó)政府、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的最終用戶建立適當(dāng)?shù)幕锇殛P(guān)系，這些用戶可以應(yīng)用量子技術(shù)來(lái)改進(jìn)技術(shù)消費(fèi)者實(shí)現(xiàn)各自目標(biāo)或任務(wù)的方式。共同努力通過(guò)提供新的能力、先發(fā)優(yōu)勢(shì)和提高對(duì)新興技術(shù)的認(rèn)識(shí)而使最終用戶受益。

建議二：使用傳感器的機(jī)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行可行性研究，并與QIST研發(fā)領(lǐng)導(dǎo)人共同測(cè)試量子原型系統(tǒng)，以確定有前途的技術(shù)，并專注于解決其機(jī)構(gòu)任務(wù)的量子傳感器。