NSF的激光干涉儀引力波觀測站(LIGO)是超過40年基礎(chǔ)研究和超過10億美元投資的結(jié)果。在首次觀測的一個世紀(jì)前，愛因斯坦就預(yù)言了引力波的存在，并于1981年首次提出利用壓縮光來打破標(biāo)準(zhǔn)量子極限。在最初資助時，LIGO是NSF最大的單筆資助。從最初的投資到產(chǎn)生對引力波的觀測，花了20多年的時間；這證明了持續(xù)和耐心管理的價值。迄今為止，已經(jīng)有超過90次探測到由黑洞合并、黑洞-中子星合并和中子星碰撞產(chǎn)生的引力波事件。國際上正在努力建造更多基于地面的干涉儀，以及一個名為LISA的天基干涉儀。圖中從左到右是使用壓縮光探測引力波的早期示意圖(a)，先進LIGO的四重鐘擺懸掛系統(tǒng)(b)，在LIGO部署壓縮光光路(c)，可以提醒手機引力波探測事件的應(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)探測器可以應(yīng)用于DNA測序、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，如高級激光雷達。

通過量子態(tài)層析成像、量子門集層析成像和量子過程層析成像的量子傳感器可以闡明量子計算機原型和組件的行為。這些用于材料和器件的復(fù)雜探針可能會導(dǎo)致對超導(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)計雜質(zhì)的更好理解。

5.原子電場傳感器

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

面臨什么挑戰(zhàn)？又該如何克服？

量子傳感可以說是量子技術(shù)中最成熟的子類別；相比之下，量子計算和量子網(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)對社會產(chǎn)生影響。

將量子傳感器從概念驗證設(shè)計帶到可部署產(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驅(qū)動力和商業(yè)價值仍在確定之中。因此，研發(fā)工作是分散的。與此同時，從基礎(chǔ)研究到成功產(chǎn)品的漫長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。

鑒于不同用戶群體的不同需求，應(yīng)制定一項長期戰(zhàn)略，使多個機構(gòu)保持一致，并將私營部門利益相關(guān)者團結(jié)在一些特定應(yīng)用和關(guān)鍵支持技術(shù)的開發(fā)上。對于任何一個機構(gòu)、大學(xué)或公司都無法獨自維持的研發(fā)工作來說，一個有凝聚力的、全系統(tǒng)的方法尤其重要。與私營部門進行更多協(xié)調(diào)，使量子技術(shù)更加高效成熟，這將得益于知識產(chǎn)權(quán)、收購、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)的機構(gòu)應(yīng)該加快開發(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。這包括熟悉當(dāng)前(競爭性)技術(shù)以及在作戰(zhàn)環(huán)境中部署傳感器的嚴(yán)格要求。找到具有互補知識的專家和最終用戶是一項挑戰(zhàn)，而且回報可能需要很長的周期。這些時間可能與晉升和任期標(biāo)準(zhǔn)不一致，對新的聯(lián)合項目缺乏方案資源或機構(gòu)支持(據(jù)認(rèn)為)會減緩進展。也很難預(yù)測實驗和演示是否或何時會產(chǎn)生商業(yè)、科學(xué)相關(guān)的設(shè)備，或幫助機構(gòu)完成任務(wù)。

建議：領(lǐng)導(dǎo)QIST研發(fā)的機構(gòu)，如NIST、NSF、DOE、DOD、NASA和情報界，應(yīng)該與量子傳感器原型的潛在最終用戶合作，共同測試、開發(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)、測試和利用。這些機構(gòu)應(yīng)該尋求與美國政府、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)來改進技術(shù)消費者實現(xiàn)各自目標(biāo)或任務(wù)的方式。共同努力通過提供新的能力、先發(fā)優(yōu)勢和提高對新興技術(shù)的認(rèn)識而使最終用戶受益。

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