在信息化浪潮奔涌前行的当下，传感器作为信息感知的关键“触角”和”数据之母”，已深深嵌入工业制造、医疗卫生、日常消费、环境监测、航空航天等诸多领域，其性能优劣直接影响各类系统的运行效能与精准程度。历经长期发展，传感器虽成就斐然，但如今在技术创新、应用拓展等多个维度深陷瓶颈，增长态势趋缓，难以契合新兴行业层出不穷的需求以及日益严苛的参数指标提升要求。量子技术恰似一道曙光，为传感器产业开辟出前所未有的发展通途，正引领其迈向技术革新与变革的崭新时代。
PART.1 什么是量子传感技术
量子传感是利用量子系统、量子特性或量子现象来测量物理量的技术。
量子传感的核心是基于微观粒子状态（即量子态）的操控和读取，利用量子态对干扰极其敏感的特性，通过测量量子态的变化来获取物理量的信息。
具体来说，就是利用量子系统与待测物理量之间的相互作用，使量子态发生演化，然后通过对演化后的量子态进行测量和分析，反推出待测物理量的值。
PART.2 最具代表性的七类量子传感器
1. 量子化学传感器：分子世界的精密探针
在化学分析和材料科学领域，量子化学传感器正掀起一场检测灵敏度的革命。这类传感器利用量子态对外界环境的极端敏感性，能够检测到化学浓度的微小变化甚至识别单个分子。其中最引人注目的技术之一是结合电子-核双共振（ENDOR）光谱与氮-空位（NV）色心的核磁共振光谱法。这种技术通过监测电子自旋与周围核自旋的量子相互作用，可以精确解析溶液中有机分子的三维结构，其精度达到了原子级别。
2. 原子钟：时间测量的极致精度
在量子传感器家族中，原子钟代表着最为成熟和精确的技术之一。现代量子原子钟的精度已经达到了令人难以置信的水平——最先进的锶晶格钟每300亿年才会产生1秒的误差，这个时间跨度远超宇宙目前的年龄。如此惊人的精度源于对原子量子态的精妙控制，通常使用激光冷却的单离子或中性原子，将其囚禁在电磁陷阱或光学晶格中。量子原子钟的工作原理基于原子能级间的精确跃迁。以铯原子钟为例，它通过测量铯原子基态两个超精细能级之间（对应9,192,631,770赫兹）的微波跃迁来定义秒。
这些超高精度的计时设备正在多个领域引发变革。在全球卫星导航系统（如GPS、北斗）中，原子钟的精度直接决定了定位的准确性。金融交易系统依赖原子钟实现跨洲际交易的精确时间戳，防止交易冲突。电信网络需要原子钟同步数据传输，确保通信质量。未来，随着量子原子钟的小型化和成本降低，它们可能会进入更多民用领域，从5G/6G通信到智能电网，再到自动驾驶汽车的精确定位，都有望受益于这项量子技术。
3. 量子重力仪：测绘地球隐秘结构的钥匙
量子重力仪代表了重力测量技术的革命性飞跃，它能够检测到地球重力场中极其微弱的变化——相当于地球表面重力加速度（约9.8 m/s²）的十亿分之一。典型的量子重力仪使用激光冷却至接近绝对零度的铷原子，让它们在真空腔中自由下落，然后通过精密激光测量这些原子物质波的相位变化。由于重力加速度会影响原子的运动轨迹，最终不同路径的原子波函数会形成干涉图案，通过分析这一图案，可以计算出重力加速度的精确值。最新型的量子重力仪已经实现了微伽级（1微伽=10^-6 m/s²）的测量精度，且稳定性极高。
4. 量子成像技术：突破经典衍射极限
量子成像技术正在打破传统光学成像的桎梏，利用量子纠缠和非经典光状态实现超越衍射极限的分辨率。其中最引人注目的是量子幽灵成像技术，它通过利用纠缠光子对的量子关联特性，能够在几乎完全黑暗或强散射环境中获取物体的清晰图像。这项技术的独特之处在于，成像过程中只有纠缠对中的一个光子与物体相互作用，而另一个光子则作为参考，通过符合测量重建图像。在量子幽灵成像系统中，纠缠光子对通过非线性晶体产生，信号光子经过物体后被单像素探测器收集，而闲置光子则直接进入高分辨率探测器。尽管单像素探测器无法提供空间信息，但通过与高分辨率探测器的符合计数，可以重建出物体的图像。这种方法特别适用于对光敏感的生物样本或在恶劣环境下的成像。
5. 量子干涉仪探测最微弱的信号
量子干涉仪代表了精密测量技术的巅峰，它利用量子粒子的波动特性来检测位移、速度和温度的极微小变化。与传统干涉仪相比，量子干涉仪的灵敏度有望提高数个数量级，这主要得益于量子纠缠态的引入。在量子干涉仪中，光子或其他量子粒子被制备在纠缠态，然后分成两路通过不同的路径，最后重新汇合形成干涉图案。由于量子纠缠增强了粒子间的关联性，任何微小路径差异都会被放大显示在干涉图案的变化中。当两个量子态叠加时，它们的相位关系决定了探测概率分布。通过精心设计干涉仪的光路和量子态制备，科学家能够测量出极其微小的物理量变化。最新研究表明，使用压缩态光子的量子干涉仪可以突破标准量子极限，达到海森堡极限的灵敏度。这种超灵敏干涉仪正在被开发用于探测引力波、暗物质搜索和基础物理常数测量等前沿研究。
6. 量子磁力计
量子磁力计则是另一类重要的量子传感器，它利用原子或电子自旋的量子特性来测量极弱磁场。最新的量子磁力计已经能够检测到飞特斯拉级（10^-15 Tesla）的磁场变化，相当于地球磁场的亿分之一。量子磁力计的应用范围极为广泛。在地球物理勘探中，它们被用于寻找矿藏和油气资源；在生物医学领域，脑磁图（MEG）使用量子磁力计非侵入性地测量大脑神经活动产生的微弱磁场；在材料科学中，研究人员利用它们研究超导体和拓扑材料的磁性。在国防安全领域，量子磁力计可用于探测隐蔽的潜艇或地下设施，成为国家安全的新型"眼睛"。
7. 量子温度计
量子温度计将温度测量推向了前所未有的精度和范围，利用量子纠缠和量子态对环境温度的敏感性，能够检测到极微小的温度变化。其中最引人注目的成就之一是测量比外太空更寒冷十亿倍的超低温——纳开尔文量级的温度。这类极端低温对于研究量子相变、玻色-爱因斯坦凝聚等新奇量子现象至关重要。量子温度计通过监测量子气体中原子的纠缠态变化，或者利用金刚石中氮-空位色心的自旋共振频率随温度的变化，实现了极高的温度分辨率。量子温度计的工作原理多样，但都基于量子系统对热扰动的敏感性。
PART.3 量子技术为传感器产业注入新活力
量子传感器利用量子现象，与传统传感器相比，灵敏度大幅提高，开辟了各种新的应用，包括电动汽车 (EV)、非 GPS 导航、医学成像和通信。业内专家将此称为“第二次量子革命”。
自20世纪80年代以来，感知技术在敏感机理与材料、产业化生产与工艺、技术指标优化与提升、多参数复合与模块化设计，以及数字化、网络化、集成化、微型化、归一化、低成本等方面的技术创新层出不穷，成果风起云涌。
历经数十年的技术工艺迭代，全球市场上由声、力、光、气、磁、温湿度、RFID、生物等八大敏感技术形成的各种传感器产品已有3.1万种之多，长期的技术演进使传感器在原理与工艺上趋近成熟，甚至是类型固化，功能与性能差异细微，产品的同质化竞争激烈，可挖掘的潜力越发有限。各大厂商在研发上缺乏突破性创新，难以构筑独特竞争优势，致使整个行业发展动力不足。
随着传感器应用市场拓展至各个行业，特别是新兴产业如自动驾驶、量子通信、精准医疗等强势崛起，对传感器性能提出了更高要求。传统传感器在检测精度、响应速度、抗干扰能力等方面渐显乏力，难以满足新场景需求。
而量子技术的出现，特别是在传感器技术领域的应用，为传感器技术创新注入了新的活力，开启敏感机理创新和产业变革的新纪元。
量子传感器具有超高精度、高灵敏度、超快响应速度等特点，其能够突破传统传感器的精度天花板，实现对物理量的极致精确测量，能在极短时间内对变化做出反应，满足高速动态测量需求，在高速运动物体轨迹监测等场景中发挥重要作用。
量子传感的优势
超高精度：能够突破传统传感器的精度天花板，实现对物理量的极致精确测量。例如，原子钟的频率测量精度已达到10⁻¹⁹水平。
高灵敏度：可以探测到极其微弱的物理量变化，如量子磁力仪能够检测到极微弱的磁场变化，可用于医疗领域的脑功能监测等。
超快响应速度：能在极短时间内对变化做出反应，满足高速动态测量需求，在高速运动物体轨迹监测等场景中发挥重要作用。
作为前沿科技的重要代表，量子传感器技术已成为各国竞相角逐的战略高地。发达国家凭借深厚的科研积淀、雄厚的资金实力以及完善的创新生态，早早布局，在技术探索与应用拓展方面取得了诸多开创性成果，在国际竞争中占据领先地位。
我国近年来在量子传感器领域发展迅猛，政府高度重视，科研投入持续加大，成绩显著。中国科学院等科研机构在量子传感器基础研究和关键技术攻关方面屡获成果，自主研发的高精度原子钟已达国际先进水准。此外，已有部分企业敏锐布局量子传感器产业，积极推动技术产业化应用。
PART.4 量子传感器的关键技术
量子态制备：将微观粒子的状态转化为可用于传感的状态，该状态需要能够在待测物理量的作用下随时间演化。
量子态操控：包括将制备的量子态转化为可在待测物理量作用下演化的状态，以及将演化后的量子态转化为可观测的状态。对于原子中的电子以及原子核而言，基本的量子态操控手段仍集中于激光、交变或静电磁场。
量子态探测：对演化后的量子态进行测量，并提取有关待测物理量的信息。对于原子中的电子，类似于状态制备，目前最有效的探测手段，仍是基于对光场参数的探测，如光场的强度、偏振等。
PART.5 量子传感器正从实验室走向实际应用
目前，量子传感器正逐步从实验室走向行业实际应用。市场调研机构Allied Market Research数据显示，2024年全球量子传感器市场规模已突破10亿美元，达到11.4亿美元。预计到2026年将达到23.32亿美元，年复合增长率高达17.7%。从区域来看，亚太地区凭借庞大的市场需求和快速的经济发展，预计将成为增长最快的区域，年复合增长率有望达到19.2%。其中，中国作为亚太地区的重要经济体，在政府政策支持和科研投入不断增加的推动下，市场规模预计将在2030年突破100亿美元。
研究发现，量子传感器在以下领域可形成成熟度较高的应用场景。
医疗领域：利用高灵敏度，能够探测到生物标志物的微量变化，实现癌症、心血管疾病等的早期诊断，还可以通过原子磁力仪检测大脑神经元活动产生的微弱磁场，进行脑功能监测。
通信领域：在量子通信中，可用于检测单光子信号，保障量子密钥分发的安全性，对通信设备的电磁参数进行高精度测量，优化设备性能，提升通信质量。
能源领域：在石油勘探过程中，量子重力仪和磁力仪可用于高精度地质结构探测，提高石油勘探的准确性和效率，降低勘探成本。新能源电池性能监测也可通过量子传感器实时监测电池内部的物理和化学变化，优化电池性能，延长电池使用寿命。
智能交通领域：在自动驾驶精准定位过程中，量子惯导传感器不受卫星信号限制，能够为自动驾驶车辆提供高精度、高可靠性的定位信息，保障车辆在复杂环境下安全行驶。车路协同系统可利用量子雷达对交通流量进行实时监测，实现更精准的交通流量预测和智能交通调度，缓解交通拥堵。
智能农业领域：通过多参数量子传感器快速、准确地检测土壤中的养分含量、酸碱度、环境气象等参数，为精准施肥提供科学依据，提高农作物产量和质量。也可通过监测农作物的生理特征和环境参数，实现对农作物生长状态的实时评估，及时发现病虫害和营养缺失等问题，采取相应措施进行干预。
金融安全领域：量子磁性传感器可对货币的物理特性进行高精度检测，快速准确地识别真伪货币，提高金融交易的安全性。也可对金融机构的关键设施进行安全监测，如监测金库的温度、湿度、振动等参数，及时发现异常情况，保障金融资产安全。
（原标题为：一文读懂量子传感器/【行业知识集锦】什么是量子传感技术？/量子传感器，即将商业化/科学前沿：量子传感器的七大类型介绍）
