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

該報告由哈佛大學博士Constanza M. Vidal Bustamante撰寫，并獲得多位行業專家的評估。該報告闡述了量子傳感——當今量子技術中最成熟的分支——如何增強美國的量子優勢，彌補全球定位系統（GPS）的關鍵漏洞，并徹底改變美國在軍事行動和關鍵基礎設施（從電信到金融網絡）中的 PNT 能力。

報告指出，在全球量子傳感器領域，美國仍然處于領先地位，美國頂尖機構陣容強大，全球領先；關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%），開放協作提升研究可信度和影響力。

然而，報告警告稱，美國的領先地位正面臨風險。關鍵的聯邦研發授權已經失效，國內供應鏈依然脆弱，私人投資主要集中在量子計算這一新興技術上。與此同時，中國正通過國家主導的項目、持續的資金投入和卓越的制造能力推進其量子研究。

該報告全面闡述了當前全球量子傳感器產業格局，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場上展開——通過全球定位系統（GPS）微弱的射頻信號以及單個原子的量子態。美國的定位、導航和授時（PNT）能力岌岌可危，而 PNT 正是軍事、民用和商業領域精確地理定位、軌跡規劃和時間同步的基礎。幾十年來，美國發明的 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星的武器，該系統固有的脆弱性日益凸顯。GPS 干擾已經破壞了軍事行動，每天擾亂多達數千架次的商業航班；更大范圍的攻擊可能引發災難性的任務失敗和關鍵基礎設施的大面積破壞，每天造成的經濟損失超過 10 億美元。

面對傳統定位、導航和授時（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，這些設備在對抗環境中提供無與倫比的測量精度、長期準確性和可靠的運行——這些能力可以支持甚至超越當前基于 GPS 的服務。量子傳感器可以在幾年內實現美國彈性定位、導航和授時（PNT）——從潛艇、無人機和彈藥的導航，到電信網絡、電網和金融系統的同步——但前提是美國持續開發和部署這項技術。

雖然原子鐘——當今最成熟的量子技術——已經為 GPS 提供動力，但新興的量子傳感能力正開始展現其作為高精度、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。量子重力儀和磁力儀可以參考地球獨特的重力和磁場進行隱身定位。所有這些技術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 相關量子傳感研究出版物的國家級統計數據，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幫助美國實現從潛艇、無人機和彈藥的導航到電信網絡、電網和金融系統的同步，中國在這方面也毫不猶豫加快了步伐

美國受益于世界領先的創新生態系統，該生態系統可以持續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）將聯邦政府對量子研究與開發（R&D）的資助從每年 2 億美元增加到約 10 億美元，推動美國從基礎科學到原型開發的突破。該報告發現，美國研究機構占全球被引用次數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基礎——從初創公司到老牌國防承包商——正在提供尖端原型和早期商業解決方案。許多此類技術進步受益于國防部（DoD）的前瞻性舉措，這些舉措強調快速迭代和在軍事平臺上的演示，例如國防創新部門（DIU）正在進行的量子傳感器轉型計劃。

▲2010 年至 2024 年量子傳感相關主題研究出版物數量排名前 15 位的研究機構，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，而且遠不止技術瓶頸。盡管特朗普政府欣然接受美國在量子領域的領導地位，但國會尚未重新授權國家量子創新局（NQIA）于 2023 年到期的核心研發項目，這損害了民間機構的持續量子創新。私人投資也存在不確定性：盡管美國在量子技術領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域，而只有 9%流向了量子傳感 。這種差異凸顯了政府在推進量子定位、傳感和導航（PNT）技術方面發揮的重要作用，這既包括聯邦政府的直接支出（尤其是在關鍵的國防項目中），也包括向私營部門發出市場信號。

不幸的是，盡管量子傳感器能夠解決當今影響作戰人員的 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一的權威或協調以發揮最大作用，而其 PNT 監督委員會則專注于 GPS 本身的現代化——這項工作現在面臨著多年的延誤和數十億美元的超支——而不是整合量子傳感等替代的 PNT 解決方案 。

產業界和政府需求的不一致，導致量子傳感器開發商在關鍵部件（例如低噪聲激光器和原子蒸汽室）以及先進的微光子制造設施方面缺乏供應商基礎。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鏈將危及美國在整個量子技術領域的領導地位。

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。在國家主導的戰略、緊密的軍民融合、持續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模和影響力上都在迅速擴張，這些都可能使其在技術開發和應用方面超越美國。

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

優先為作戰人員配備有彈性的下一代 PNT；

加強美國量子設備和組件的供應鏈和先進制造基地；

將量子 PNT 擴展到關鍵基礎設施和更廣泛的民用市場；

培育強大的美國量子創新生態系統，實現長期可持續發展。

在當今日益激烈的地緣政治競爭中，一場爭奪技術優勢的競賽正在原子層面展開。量子技術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超級計算機快幾個數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現，也可以破解保護全球數字基礎設施的加密協議。同時，量子網絡可以將量子系統互連，協同完成復雜任務，并實現超安全通信。

如果說量子計算和量子網絡的前景尚不明朗，那么量子傳感的實際應用則已初見端倪。通過探測原子能級的微小變化，這些傳感器實現了前所未有的靈敏度、精度和長期穩定性，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。盡管這項技術可以改變從資源勘探到生物醫學診斷等各個領域，但用于定位、導航和授時 (PNT) 的量子傳感應用無疑是最普遍、最適用、對國家安全至關重要的應用。原子鐘——當今使用最成熟的量子技術——已經為美國全球定位系統 (GPS) 提供動力，為陸、海、空、天等領域的國防系統提供 PNT 服務。GPS 也是關鍵基礎設施（包括電網、電信網絡、金融交易以及全球經濟的眾多領域）精密 PNT 的主要來源。

▲總部位于美國的量子傳感技術公司，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 ，而且有可能超越當前方案，中國始終將量子技術置于與人工智能、半導體同等重要的戰略地位

GPS 應用的普及使其成為地緣政治對手的誘人目標，從而造成嚴重的國家安全漏洞。GPS 既是現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——電子戰一直是東歐和中東地區持續沖突的主要手段，而最近的分析顯示，美國的對手正在投資增強其反衛星能力。所有這些發展都描繪出一幅令人警醒的畫面，表明美國定位、導航和導航（PNT）基礎設施面臨的風險正在不斷升級。

各國正努力應對失去可靠 GPS 信號可能帶來的災難性后果，而量子傳感器或許能夠降低風險，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，還可能超越現有的替代方案：即使在對抗環境或射頻信號自然衰減的情況下，量子技術也能提供更精確、更穩定、更隱蔽的 PNT。此外，它們有望支持對 PNT 要求嚴格的新興技術，例如第六代 (6G) 無線網絡。

推進量子傳感器的部署，對美國而言是一個戰略機遇，既可以解決 GPS 系統面臨的緊迫漏洞，又可以鞏固其全球量子技術領導地位。其投資回報可能影響深遠，為國防、經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人員、關鍵基礎設施和更廣泛的商業領域的定位、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用領域的創新。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，推進計算機芯片的安全檢查，實現便攜式生物醫學診斷，甚至揭開暗物質的奧秘 。

此外，共享供應鏈和工程技術的進步——例如增強量子傳感器抵御環境干擾的能力并進一步將其組件小型化——可能會催化其他面臨類似技術瓶頸的新興領域的突破，從量子計算和網絡到先進的半導體和生物技術。

▲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)》

隨著全球量子領導地位的競爭愈演愈烈，美國加快在量子傳感戰略領域的布局也愈發緊迫。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置于與人工智能和半導體同等重要的戰略地位。通過積極的投資和政府主導的舉措，中國正在迅速提升其量子能力，并有可能重塑國際標準，并在國防和經濟創新領域取得競爭優勢。事關重大：保持美國的量子領導地位不僅對國家安全至關重要，也對維護美國全球影響力所依賴的技術和經濟優勢至關重要。

盡管美國目前在量子定位、導航和傳感領域處于世界領先地位，但不能將這一領先地位視為理所當然。數十年的聯邦研發 (R&D) 資金投入使美國大學和聯邦實驗室在先進原子鐘和量子導航傳感器等高影響力研究方面處于領先地位。美國公司生態系統不斷發展壯大，其中許多公司由這些研究機構培養的科學家創立，他們已經在美國軍事平臺上開發并展示了集成原型，一些解決方案開始進入市場。然而，重大挑戰依然存在。許多量子傳感器仍停留在研究和原型階段，即使是已經上市的量子傳感器也需要改進，以適應惡劣環境，并降低尺寸、重量和功耗 (SWaP) 及成本。供應鏈脆弱性、專業制造設施的使用受限以及私人投資低等加劇了這些技術挑戰，阻礙了實驗室突破向生產和大規模制造的轉變。

提升美國在量子傳感等新興技術領域的更廣泛領導地位

盡管挑戰重重，但進展觸手可及。在美國政府持續果斷的領導下，并與產業界和學術界合作，量子傳感器有望在幾年內成熟，并應用于軍事任務和關鍵基礎設施的定位、導航和時間控制 (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新解決 GPS 漏洞、增強美國作戰部隊和經濟韌性以及提升美國在新興技術領域更廣泛領導地位的獨特機會。

本報告探討了美國如何加速下一代 PNT（定位、導航、導航與控制）量子傳感器的開發和部署。報告首先回顧了當前 GPS 系統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、導航與控制）方面的預期作用。隨后，報告概述了主要的量子傳感器技術及其與現有 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系統——從總體國家戰略和具體的政府項目到國家的研究和工業基礎——并與中國進行了比較。報告隨后回顧了阻礙美國廣泛應用量子 PNT 的主要挑戰。

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和應用，為美國打造安全、有彈性的 PNT 基礎設施，并鞏固美國在量子技術領域的領導地位。