在信息化浪潮奔涌前行的當下，傳感器作為信息感知的關(guān)鍵“觸角”和”數據之母”，已深深嵌入工業(yè)制造、醫療衛生、日常消費、環(huán)境監測、航空航天等諸多領(lǐng)域，其性能優(yōu)劣直接影響各類(lèi)系統的運行效能與精準程度。歷經(jīng)長(cháng)期發(fā)展，傳感器雖成就斐然，但如今在技術(shù)創(chuàng )新、應用拓展等多個(gè)維度深陷瓶頸，增長(cháng)態(tài)勢趨緩，難以契合新興行業(yè)層出不窮的需求以及日益嚴苛的參數指標提升要求。量子技術(shù)恰似一道曙光，為傳感器產(chǎn)業(yè)開(kāi)辟出前所未有的發(fā)展通途，正引領(lǐng)其邁向技術(shù)革新與變革的嶄新時(shí)代。

PART.1 什么是量子傳感技術(shù)

量子傳感是利用量子系統、量子特性或量子現象來(lái)測量物理量的技術(shù)。

量子傳感的核心是基于微觀(guān)粒子狀態(tài)（即量子態(tài)）的操控和讀取，利用量子態(tài)對干擾極其敏感的特性，通過(guò)測量量子態(tài)的變化來(lái)獲取物理量的信息。

具體來(lái)說(shuō)，就是利用量子系統與待測物理量之間的相互作用，使量子態(tài)發(fā)生演化，然后通過(guò)對演化后的量子態(tài)進(jìn)行測量和分析，反推出待測物理量的值。

PART.2 最具代表性的七類(lèi)量子傳感器

1. 量子化學(xué)傳感器：分子世界的精密探針

在化學(xué)分析和材料科學(xué)領(lǐng)域，量子化學(xué)傳感器正掀起一場(chǎng)檢測靈敏度的革命。這類(lèi)傳感器利用量子態(tài)對外界環(huán)境的極端敏感性，能夠檢測到化學(xué)濃度的微小變化甚至識別單個(gè)分子。其中最引人注目的技術(shù)之一是結合電子-核雙共振（ENDOR）光譜與氮-空位（NV）色心的核磁共振光譜法。這種技術(shù)通過(guò)監測電子自旋與周?chē)俗孕牧孔酉嗷プ饔?，可以精確解析溶液中有機分子的三維結構，其精度達到了原子級別。

2. 原子鐘：時(shí)間測量的極致精度

在量子傳感器家族中，原子鐘代表著(zhù)最為成熟和精確的技術(shù)之一?，F代量子原子鐘的精度已經(jīng)達到了令人難以置信的水平——最先進(jìn)的鍶晶格鐘每300億年才會(huì )產(chǎn)生1秒的誤差，這個(gè)時(shí)間跨度遠超宇宙目前的年齡。如此驚人的精度源于對原子量子態(tài)的精妙控制，通常使用激光冷卻的單離子或中性原子，將其囚禁在電磁陷阱或光學(xué)晶格中。量子原子鐘的工作原理基于原子能級間的精確躍遷。以銫原子鐘為例，它通過(guò)測量銫原子基態(tài)兩個(gè)超精細能級之間（對應9,192,631,770赫茲）的微波躍遷來(lái)定義秒。

這些超高精度的計時(shí)設備正在多個(gè)領(lǐng)域引發(fā)變革。在全球衛星導航系統（如GPS、北斗）中，原子鐘的精度直接決定了定位的準確性。金融交易系統依賴(lài)原子鐘實(shí)現跨洲際交易的精確時(shí)間戳，防止交易沖突。電信網(wǎng)絡(luò )需要原子鐘同步數據傳輸，確保通信質(zhì)量。未來(lái)，隨著(zhù)量子原子鐘的小型化和成本降低，它們可能會(huì )進(jìn)入更多民用領(lǐng)域，從5G/6G通信到智能電網(wǎng)，再到自動(dòng)駕駛汽車(chē)的精確定位，都有望受益于這項量子技術(shù)。

3. 量子重力儀：測繪地球隱秘結構的鑰匙

量子重力儀代表了重力測量技術(shù)的革命性飛躍，它能夠檢測到地球重力場(chǎng)中極其微弱的變化——相當于地球表面重力加速度（約9.8 m/s²）的十億分之一。典型的量子重力儀使用激光冷卻至接近絕對零度的銣原子，讓它們在真空腔中自由下落，然后通過(guò)精密激光測量這些原子物質(zhì)波的相位變化。由于重力加速度會(huì )影響原子的運動(dòng)軌跡，最終不同路徑的原子波函數會(huì )形成干涉圖案，通過(guò)分析這一圖案，可以計算出重力加速度的精確值。最新型的量子重力儀已經(jīng)實(shí)現了微伽級（1微伽=10^-6 m/s²）的測量精度，且穩定性極高。

4. 量子成像技術(shù)：突破經(jīng)典衍射極限

量子成像技術(shù)正在打破傳統光學(xué)成像的桎梏，利用量子糾纏和非經(jīng)典光狀態(tài)實(shí)現超越衍射極限的分辨率。其中最引人注目的是量子幽靈成像技術(shù)，它通過(guò)利用糾纏光子對的量子關(guān)聯(lián)特性，能夠在幾乎完全黑暗或強散射環(huán)境中獲取物體的清晰圖像。這項技術(shù)的獨特之處在于，成像過(guò)程中只有糾纏對中的一個(gè)光子與物體相互作用，而另一個(gè)光子則作為參考，通過(guò)符合測量重建圖像。在量子幽靈成像系統中，糾纏光子對通過(guò)非線(xiàn)性晶體產(chǎn)生，信號光子經(jīng)過(guò)物體后被單像素探測器收集，而閑置光子則直接進(jìn)入高分辨率探測器。盡管單像素探測器無(wú)法提供空間信息，但通過(guò)與高分辨率探測器的符合計數，可以重建出物體的圖像。這種方法特別適用于對光敏感的生物樣本或在惡劣環(huán)境下的成像。

5. 量子干涉儀探測最微弱的信號

量子干涉儀代表了精密測量技術(shù)的巔峰，它利用量子粒子的波動(dòng)特性來(lái)檢測位移、速度和溫度的極微小變化。與傳統干涉儀相比，量子干涉儀的靈敏度有望提高數個(gè)數量級，這主要得益于量子糾纏態(tài)的引入。在量子干涉儀中，光子或其他量子粒子被制備在糾纏態(tài)，然后分成兩路通過(guò)不同的路徑，最后重新匯合形成干涉圖案。由于量子糾纏增強了粒子間的關(guān)聯(lián)性，任何微小路徑差異都會(huì )被放大顯示在干涉圖案的變化中。當兩個(gè)量子態(tài)疊加時(shí)，它們的相位關(guān)系決定了探測概率分布。通過(guò)精心設計干涉儀的光路和量子態(tài)制備，科學(xué)家能夠測量出極其微小的物理量變化。最新研究表明，使用壓縮態(tài)光子的量子干涉儀可以突破標準量子極限，達到海森堡極限的靈敏度。這種超靈敏干涉儀正在被開(kāi)發(fā)用于探測引力波、暗物質(zhì)搜索和基礎物理常數測量等前沿研究。

6. 量子磁力計

量子磁力計則是另一類(lèi)重要的量子傳感器，它利用原子或電子自旋的量子特性來(lái)測量極弱磁場(chǎng)。最新的量子磁力計已經(jīng)能夠檢測到飛特斯拉級（10^-15 Tesla）的磁場(chǎng)變化，相當于地球磁場(chǎng)的億分之一。量子磁力計的應用范圍極為廣泛。在地球物理勘探中，它們被用于尋找礦藏和油氣資源；在生物醫學(xué)領(lǐng)域，腦磁圖（MEG）使用量子磁力計非侵入性地測量大腦神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)；在材料科學(xué)中，研究人員利用它們研究超導體和拓撲材料的磁性。在國防安全領(lǐng)域，量子磁力計可用于探測隱蔽的潛艇或地下設施，成為國家安全的新型"眼睛"。

7. 量子溫度計

量子溫度計將溫度測量推向了前所未有的精度和范圍，利用量子糾纏和量子態(tài)對環(huán)境溫度的敏感性，能夠檢測到極微小的溫度變化。其中最引人注目的成就之一是測量比外太空更寒冷十億倍的超低溫——納開(kāi)爾文量級的溫度。這類(lèi)極端低溫對于研究量子相變、玻色-愛(ài)因斯坦凝聚等新奇量子現象至關(guān)重要。量子溫度計通過(guò)監測量子氣體中原子的糾纏態(tài)變化，或者利用金剛石中氮-空位色心的自旋共振頻率隨溫度的變化，實(shí)現了極高的溫度分辨率。量子溫度計的工作原理多樣，但都基于量子系統對熱擾動(dòng)的敏感性。

PART.3 量子技術(shù)為傳感器產(chǎn)業(yè)注入新活力

量子傳感器利用量子現象，與傳統傳感器相比，靈敏度大幅提高，開(kāi)辟了各種新的應用，包括電動(dòng)汽車(chē) (EV)、非 GPS 導航、醫學(xué)成像和通信。業(yè)內專(zhuān)家將此稱(chēng)為“第二次量子革命”。

自20世紀80年代以來(lái)，感知技術(shù)在敏感機理與材料、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)與工藝、技術(shù)指標優(yōu)化與提升、多參數復合與模塊化設計，以及數字化、網(wǎng)絡(luò )化、集成化、微型化、歸一化、低成本等方面的技術(shù)創(chuàng )新層出不窮，成果風(fēng)起云涌。

歷經(jīng)數十年的技術(shù)工藝迭代，全球市場(chǎng)上由聲、力、光、氣、磁、溫濕度、RFID、生物等八大敏感技術(shù)形成的各種傳感器產(chǎn)品已有3.1萬(wàn)種之多，長(cháng)期的技術(shù)演進(jìn)使傳感器在原理與工藝上趨近成熟，甚至是類(lèi)型固化，功能與性能差異細微，產(chǎn)品的同質(zhì)化競爭激烈，可挖掘的潛力越發(fā)有限。各大廠(chǎng)商在研發(fā)上缺乏突破性創(chuàng )新，難以構筑獨特競爭優(yōu)勢，致使整個(gè)行業(yè)發(fā)展動(dòng)力不足。

隨著(zhù)傳感器應用市場(chǎng)拓展至各個(gè)行業(yè)，特別是新興產(chǎn)業(yè)如自動(dòng)駕駛、量子通信、精準醫療等強勢崛起，對傳感器性能提出了更高要求。傳統傳感器在檢測精度、響應速度、抗干擾能力等方面漸顯乏力，難以滿(mǎn)足新場(chǎng)景需求。

而量子技術(shù)的出現，特別是在傳感器技術(shù)領(lǐng)域的應用，為傳感器技術(shù)創(chuàng )新注入了新的活力，開(kāi)啟敏感機理創(chuàng )新和產(chǎn)業(yè)變革的新紀元。

量子傳感器具有超高精度、高靈敏度、超快響應速度等特點(diǎn)，其能夠突破傳統傳感器的精度天花板，實(shí)現對物理量的極致精確測量，能在極短時(shí)間內對變化做出反應，滿(mǎn)足高速動(dòng)態(tài)測量需求，在高速運動(dòng)物體軌跡監測等場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用。

量子傳感的優(yōu)勢

超高精度：能夠突破傳統傳感器的精度天花板，實(shí)現對物理量的極致精確測量。例如，原子鐘的頻率測量精度已達到10⁻¹⁹水平。

高靈敏度：可以探測到極其微弱的物理量變化，如量子磁力儀能夠檢測到極微弱的磁場(chǎng)變化，可用于醫療領(lǐng)域的腦功能監測等。

超快響應速度：能在極短時(shí)間內對變化做出反應，滿(mǎn)足高速動(dòng)態(tài)測量需求，在高速運動(dòng)物體軌跡監測等場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用。

作為前沿科技的重要代表，量子傳感器技術(shù)已成為各國競相角逐的戰略高地。發(fā)達國家憑借深厚的科研積淀、雄厚的資金實(shí)力以及完善的創(chuàng )新生態(tài)，早早布局，在技術(shù)探索與應用拓展方面取得了諸多開(kāi)創(chuàng )性成果，在國際競爭中占據領(lǐng)先地位。

我國近年來(lái)在量子傳感器領(lǐng)域發(fā)展迅猛，政府高度重視，科研投入持續加大，成績(jì)顯著(zhù)。中國科學(xué)院等科研機構在量子傳感器基礎研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方面屢獲成果，自主研發(fā)的高精度原子鐘已達國際先進(jìn)水準。此外，已有部分企業(yè)敏銳布局量子傳感器產(chǎn)業(yè)，積極推動(dòng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應用。

PART.4 量子傳感器的關(guān)鍵技術(shù)

量子態(tài)制備：將微觀(guān)粒子的狀態(tài)轉化為可用于傳感的狀態(tài)，該狀態(tài)需要能夠在待測物理量的作用下隨時(shí)間演化。

量子態(tài)操控：包括將制備的量子態(tài)轉化為可在待測物理量作用下演化的狀態(tài)，以及將演化后的量子態(tài)轉化為可觀(guān)測的狀態(tài)。對于原子中的電子以及原子核而言，基本的量子態(tài)操控手段仍集中于激光、交變或靜電磁場(chǎng)。

量子態(tài)探測：對演化后的量子態(tài)進(jìn)行測量，并提取有關(guān)待測物理量的信息。對于原子中的電子，類(lèi)似于狀態(tài)制備，目前最有效的探測手段，仍是基于對光場(chǎng)參數的探測，如光場(chǎng)的強度、偏振等。

PART.5 量子傳感器正從實(shí)驗室走向實(shí)際應用

目前，量子傳感器正逐步從實(shí)驗室走向行業(yè)實(shí)際應用。市場(chǎng)調研機構Allied Market Research數據顯示，2024年全球量子傳感器市場(chǎng)規模已突破10億美元，達到11.4億美元。預計到2026年將達到23.32億美元，年復合增長(cháng)率高達17.7%。從區域來(lái)看，亞太地區憑借龐大的市場(chǎng)需求和快速的經(jīng)濟發(fā)展，預計將成為增長(cháng)最快的區域，年復合增長(cháng)率有望達到19.2%。其中，中國作為亞太地區的重要經(jīng)濟體，在政府政策支持和科研投入不斷增加的推動(dòng)下，市場(chǎng)規模預計將在2030年突破100億美元。

研究發(fā)現，量子傳感器在以下領(lǐng)域可形成成熟度較高的應用場(chǎng)景。

醫療領(lǐng)域：利用高靈敏度，能夠探測到生物標志物的微量變化，實(shí)現癌癥、心血管疾病等的早期診斷，還可以通過(guò)原子磁力儀檢測大腦神經(jīng)元活動(dòng)產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)，進(jìn)行腦功能監測。

通信領(lǐng)域：在量子通信中，可用于檢測單光子信號，保障量子密鑰分發(fā)的安全性，對通信設備的電磁參數進(jìn)行高精度測量，優(yōu)化設備性能，提升通信質(zhì)量。

能源領(lǐng)域：在石油勘探過(guò)程中，量子重力儀和磁力儀可用于高精度地質(zhì)結構探測，提高石油勘探的準確性和效率，降低勘探成本。新能源電池性能監測也可通過(guò)量子傳感器實(shí)時(shí)監測電池內部的物理和化學(xué)變化，優(yōu)化電池性能，延長(cháng)電池使用壽命。

智能交通領(lǐng)域：在自動(dòng)駕駛精準定位過(guò)程中，量子慣導傳感器不受衛星信號限制，能夠為自動(dòng)駕駛車(chē)輛提供高精度、高可靠性的定位信息，保障車(chē)輛在復雜環(huán)境下安全行駛。車(chē)路協(xié)同系統可利用量子雷達對交通流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，實(shí)現更精準的交通流量預測和智能交通調度，緩解交通擁堵。

智能農業(yè)領(lǐng)域：通過(guò)多參數量子傳感器快速、準確地檢測土壤中的養分含量、酸堿度、環(huán)境氣象等參數，為精準施肥提供科學(xué)依據，提高農作物產(chǎn)量和質(zhì)量。也可通過(guò)監測農作物的生理特征和環(huán)境參數，實(shí)現對農作物生長(cháng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)評估，及時(shí)發(fā)現病蟲(chóng)害和營(yíng)養缺失等問(wèn)題，采取相應措施進(jìn)行干預。

金融安全領(lǐng)域：量子磁性傳感器可對貨幣的物理特性進(jìn)行高精度檢測，快速準確地識別真偽貨幣，提高金融交易的安全性。也可對金融機構的關(guān)鍵設施進(jìn)行安全監測，如監測金庫的溫度、濕度、振動(dòng)等參數，及時(shí)發(fā)現異常情況，保障金融資產(chǎn)安全。

（原標題為：一文讀懂量子傳感器/【行業(yè)知識集錦】什么是量子傳感技術(shù)？/量子傳感器，即將商業(yè)化/科學(xué)前沿：量子傳感器的七大類(lèi)型介紹）