量子技術引領傳感器技術創新與產業變革

在信息化浪潮奔涌前行的背景下，傳感器作為信息感知的關鍵“觸角”和“數據之母”，已深深嵌入工業制造、醫療衛生、日常消費、環境監測、航空航天等諸多領域，其性能優劣直接影響各類系統的運行效能與精準程度。歷經長期發展，傳感器領域雖成就斐然，但面對新興行業層出不窮的需求以及日益嚴苛的參數指標提升的要求，在技術創新、應用拓展等多個維度面臨系列挑戰。量子技術恰似一道曙光，為傳感器產業開辟出前所未有的發展通途，正引領其邁向技術革新與變革的嶄新時代。

一、國內外傳感器產業發展現狀

自20世紀80年代以來，感知技術在敏感機理與材料、產業化生產與工藝、技術指標優化與提升、多參數復合與模塊化設計，以及數字化、網絡化、集成化、微型化、歸一化、低成本等方面的技術創新層出不窮，持續取得突破性進展。歷經數十年的技術工藝迭代，基于聲、力、光、氣、磁、溫濕度、RFID、生物等八大敏感技術形成的各種傳感器產品在全球市場上已有3.1萬種之多，長期的技術演進使傳感器在原理與工藝上趨近成熟，甚至是類型固化，功能與性能差異細微，產品的同質化競爭激烈，可挖掘的潛力愈發有限。各大廠商在研發上缺乏突破性創新，難以構筑獨特的競爭優勢，致使整個行業發展動力不足。以常見的壓力傳感器為例，基于壓阻效應的技術廣泛普及，進一步提升了傳感器精度，但卻受限于材料物理特性，如基底材料的噪聲水平、壓阻系數的穩定性等，難以實現質的飛躍，研發成果的產出速率明顯放緩。

隨著應用市場拓展至各個行業領域，特別是新興產業如自動駕駛、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，難以滿足新場景需求。在自動駕駛領域，需要傳感器能夠在復雜環境中迅速、精準地感知周圍物體的距離、速度等信息，但傳統雷達傳感器的分辨率和探測范圍限制了其在該領域的深入發展。

作為前沿科技的重要代表，量子傳感器技術已成為各國競相角逐的戰略高地。發達國家憑借深厚的科研積淀、雄厚的資金實力以及完善的創新生態，較早布局量近年來，我國在量子領域發展勢頭強勁，政府對該領域給予高度重視，科研投入持續加大，成績顯著。

子傳感器領域，在技術探索與應用拓展方面取得了諸多開創性成果，并在國際競爭中占據領先地位。

美國、歐洲和日本等發達國家和地區在量子領域的眾多頂尖科研機構與企業踴躍參與，如加州理工學院、IBM等。在原子鐘、量子磁力儀等關鍵技術上成果豐碩，并已在軍事、航天等高端領域應用。歐洲則側重量子技術的聯合研發，通過歐盟框架計劃開展多個量子傳感器研究項目，在量子通信中的應用方面優勢突出。

近年來，我國在量子領域發展勢頭強勁，政府對該領域給予高度重視，科研投入持續加大，成績顯著。中國科學院等科研機構在量子傳感器基礎研究和關鍵技術攻關方面屢獲成果，自主研發的高精度原子鐘已達國際先進水準。與此同時，部分企業敏銳洞察市場趨勢，積極布局量子傳感器產業，大力推動技術產業化應用。

盡管我國在該領域的進步顯著，但與國際先進水平相比，仍存在一定差距。在基礎研究層面，對部分量子物理現象的深度理解和理論創新能力有待提升，高端人才培養和引進力度需要加強，產業生態建設尚未完善，產業鏈上下游協同合作不夠緊密，產業化進程相對滯后。

二、量子傳感器的技術基礎、原理優勢及相關材料

量子技術的出現，特別是在傳感器技術領域應用，為傳感器技術創新注人了新的活力，開啟了敏感機理創新和產業變革的新紀元。

（一）基礎技術與原理

量子隧穿效應：微觀世界中，粒子具備一定概率穿越高于自身能量勢壘的特性，量子隧穿傳感器便基于此原理。以掃描隧道顯微鏡（STM）來說，當探針與樣品表面距離極近時，電子能夠通過量子隧穿效應在探針和樣品間形成隧穿電流，借此檢測電流變化可精準獲取樣品表面原子級信息。

量子糾纏：這是一種存在于兩個或多個量子系統間的非定域、強關聯的奇特現象?；诹孔蛹m纏的傳感器能實現超高精度測量，如利用糾纏光子來探測引力波，相較于傳統方法，探測靈敏度大幅提升。

量子霍爾效應：在強磁場和低溫條件下，電子氣體會呈現量子化的霍爾電阻，此特性用于制造高精度電阻標準和磁場傳感器。量子霍爾傳感器穩定性和精度極高，常用于精密測量和校準領域。

量子壓縮態：通過產生量子壓縮態，可降低量子噪聲在特定測量方向上的影響，從而提高測量精度，在引力波探測等需要極高靈敏度的測量中具有重要應用潛力。

核磁共振：利用原子核的自旋特性以及核磁共振原理，可實現對樣品微觀結構和成分的高分辨率探測，在生物醫學成像、材料分析等領域展現出獨特優勢。

（二）技術特征與優勢

超高精度：能夠突破傳統傳感器的精度天花板，實現對物理量的極致精確測量。在重力測量領域，量子重力儀的精度相比傳統重力儀提升幾個數量級，為地質勘探、地球物理研究等對精度要求極高的場景提供有力支持。

高靈敏度：對微弱信號具備卓越檢測能力，能夠捕捉極其微小的物理變化。在生物醫學檢測中，量子傳感器可檢測到單個生物分子的存在與活動，為早期疾病診斷提供關鍵技術支撐。

快速響應：量子系統響應速度極快，使量子傳感器能在極短時間內對變化做出反應，滿足高速動態測量需求，在高速運動物體軌跡監測等場景中發揮重要作用。

（三）成熟度較高的量子傳感器技術

原子磁力儀技術：借助原子的超精細結構和塞曼效應，通過檢測原子在磁場中的能級躍遷來測量磁場強度。原子磁力儀靈敏度和分辨率極高，可用于生物磁信號檢測、地質勘探等領域。

超導量子干涉技術：基于超導約瑟夫森結，能檢測極其微弱的磁場變化，是目前最為靈敏的磁傳感器之一，在醫學腦磁圖、無損檢測等方面應用廣泛。

光量子技術：利用光量子的特性，如單光子探測、量子態調控等，能夠實現對多種物理量的高精度測量，在通信、環境監測等領域具有廣闊應用前景。

量子點技術：量子點作為納米級半導體材料，具有獨特的量子尺寸效應。通過將量子點與特定的受體分子結合，可構建出對生物分子、化學物質等具有高特異性和高靈敏度檢測能力的傳感器。例如，在生物熒光標記檢測中，量子點傳感器能夠提供比傳統熒光染料更穩定、更明亮的熒光信號，極大提升了檢測的準確性和可靠性。

離子阱技術：該技術主要通過電場或磁場將單個或多個離子囚禁在特定空間區域，利用離子的量子態來感知外界物理量的變化。離子阱量子傳感器在時間頻率標準、超高精度電場和磁場測量等方面具有顯著優勢，其穩定性和精度可達到極高水平，為基礎科學研究和高端應用提供了有力工具。

量子電容技術：利用量子電容的變化來檢測物理量，量子電容與傳統電容不同，其值與電子的量子特性相關。在納米尺度的器件中，量子電容效應尤為顯著。例如，在探測極微量的氣體分子時，基于量子電容原理能夠通過檢測氣體分子吸附導致的量子電容變化，實現高靈敏度的氣體檢測，在環境監測和食品安全檢測等領域具有潛在應用價值。

（四）當前可用的敏感機理的材料

超導材料：如鈮鈦合金、釔鋇銅氧等，具備零電阻和完全抗磁性，是實現超導量子干涉器件的核心材料，其特殊的物理性質為量子傳感器的高性能奠定了基礎。

半導體量子點材料：量子點是由半導體材料制成的納米級顆粒，具有獨特的量子尺寸效應。在光電傳感器中，半導體量子點材料可顯著提高靈敏度和響應速度。

二維材料：如石墨烯、二硫化鉬等二維材料，因其獨特的電學、光學和力學性能，在電極、敏感層等部件中展現出潛在應用價值，有望提升傳感器的綜合性能指標

拓撲絕緣體材料：拓撲絕緣體具有特殊的電子能帶結構，其表面存在無耗散的導電通道，體內卻是絕緣的。這種獨特性質使其在量子傳感器中可用于構建低噪聲、高靈敏度的探測元件，能夠有效抵御外界干擾，提高穩定性和測量精度，在微弱信號檢測領域具有重要應用潛力。

稀土摻雜材料：通過在一些基質材料中摻雜稀土元素，可改變材料的光學、磁學等性能。例如，稀土摻雜的熒光材料在量子熒光傳感器中，能夠利用稀土離子的特殊能級結構，實現對特定物質的高靈敏熒光檢測，在生物分析、環境監測等方面發揮作用，其熒光強度高、壽命長，有助于提升傳感器的檢測性能。

有機量子材料：部分有機分子具有獨特的量子特性，如有機半導體分子，它們在分子尺度上能夠展現出量子相干性等現象。這些有機量子材料可用于制備柔性量子傳感器，具有成本低、柔韌性好等優點，有望在可穿戴設備、生物醫學植人式感知等領域實現應用，為量子傳感器的發展開辟新方向。

非晶材料：非晶材料是指內部原子或分子排列不具有長程有序性的固體材料，與傳統的晶態材料不同，它沒有明顯的晶體結構和晶界。在量子傳感器中，非晶材料展現出獨特優勢。例如，某些非晶合金具有優異的軟磁性能，其磁導率高、矯頑力低，這使得基于非晶合金的磁傳感器能夠對微弱磁場變化產生更靈敏的響應，在生物磁探測、地質磁場監測等領域具有潛在應用價值。同時，非晶材料的無序結構使其具備較好的抗輻射性能，在一些對輻射環境較為敏感的量子傳感器應用場景，如太空探測中，非晶材料能夠保障傳感器穩定運行，減少輻射對傳感器性能的干擾。

三、量子傳感器在行業領域的具體應用

量子傳感器具有超高精度、高靈敏度和快速響應等獨特優勢，正逐步從實驗室走向行業實際應用。目前，其在以下領域可形成成熟度較高的應用場景。

一是醫療領域。利用高靈敏度特性，量子傳感器能夠探測到生物標志物的微量變化，實現癌癥、心血管疾病等的早期診斷，大幅提高疾病治愈率。還可以通過原子磁力儀檢測大腦神經元活動產生的微弱磁場，進行腦功能監測，并繪制高精度腦磁圖，助力神經系統疾病的診斷與研究。

二是通信領域。在量子通信中，量子傳感器可用于檢測單光子信號，保障量子密鑰分發的安全性，為信息安全傳輸筑牢防線。此外，還可以對通信設備的電磁參數進行高精度測量，優化設備性能，提升通信質量。

三是能源領域。在石油勘探過程中，量子重力儀和磁力儀可用于高精度的質結構探測，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量子傳感器實時監測電池內部的物理和化學變化，優化電池性能，延長電池壽命。

四是智能交通領域。在自動駕駛精準定位過程中，量子慣導傳感器不受衛星信號限制，能夠為自動駕駛車輛提供高精度、高可靠性的定位信息，保障車輛在復雜環境下也可以安全行駛。車路協同系統可利用量子雷達對交通流量進行實時監測，實現更精準的交通流量預測和智能交通調度，緩解交通擁堵。

五是智能農業領域。運用多參數量子傳感器能夠快速、準確地檢測土壤中的養分含量、酸堿度、環境氣象等參數，為精準施肥提供科學依據，提高農作物產量和質量。也可通過監測農作物的生理特征和環境參數，實現對農作物生長狀態的實時評估，及時發現病蟲害和營養缺失等問題，并采取相應措施進行干預。

六是金融安全領域。量子磁性傳感器可對貨幣的物理特性進行高精度檢測，快速準確地識別貨幣真偽，提高金融交易的安全性。也可對金融機構的關鍵設施進行安全監測，如監測金庫的溫度、濕度、振動等參數，及時發現異常情況，保障金融資產安全。

四、市場發展現狀及未來前景

市場調研機構AlliedMarketResearch數據顯示，2024年全球量子傳感器市場規模已突破10億美元，達到11.4億美元。預計到2026年將達到23.32億美元，年復合增長率高達 17.7% 。從區域來看，亞太地區憑借龐大的市場需求和快速的經濟發展，預計將成為增長最快的區域，年復合增長率有望達到 19.2% 。其中，中國作為亞太地區的重要經濟體，在政府政策支持和科研投人不斷增加的推動下，量子傳感器的市場規模預計將在2030年將突破100億美元

另一家市場研究機構GrandViewResearch發布的報告指出，在細分市場中，量子磁力儀因其在醫療、地質勘探、國防等領域的廣泛應用，預計將占據量子傳感器領域最大的市場份額。同時，量子重力儀和量子陀螺儀等細分市場也將呈現出強勁的增長態勢，年復合增長率均超過 18% 。隨著技術的不斷進步和應用場景的持續拓展，量子傳感器的種類將不斷豐富，未來5～10年內，有望基于新原理、新材料開發出更多類型的量子傳感器，以滿足不同行業的多樣化需求。

從量子傳感器的發展現狀可以看出，其在從實驗室走向大規模商業化應用的道路上存在諸多挑戰，在產業化進程中也面臨一定制約。首先是多品種、小批量的產業特征和復雜的生產工藝，影響著傳感器的穩定性和可靠性指標，而量子比特相干時間較短，限制了其實際應用。同時研發和生產成本高昂，特殊材料、精密設備和復雜制備工藝阻礙了其大規模商業化應用。加之技術標準與行業規范缺失，導致產品質量參差不齊，不利于市場健康發展。

隨著技術持續突破和完善，量子傳感器有望在更多領域實現大規模應用，推動各行業智能化升級。未來，該技術與產品將朝著小型化、集成化、多功能化方向發展，與人工智能、大數據等新興技術深度融合，為智能時代發展注入強大動力。

總之，量子技術在傳感器領域的應用，掀起了傳感器產業的革命性變革，開啟了全面發展的新紀元。盡管當下面臨一定的挑戰，但隨著全球科研人員的不懈努力和技術的持續革新，量子傳感器必將在未來科技發展中扮演愈發重要的角色。

五、推進技術創新與產業化發展的建議

為加快我國量子傳感器技術研發與產業化應用，本文提出如下建議：

（一）強化政策引導與扶持

政府應制定專項政策，對量子技術相關研發企業在稅收、土地使用等方面給予優惠，鼓勵企業加大研發投入。設立專項資金，重點支持關鍵技術攻關項目，引導社會資本流向該領域，加速技術成果轉化。同時，構建產業發展規劃，明確階段性目標與重點任務，為產業發展提供清晰指引

（二）加大科研投入與合作

高校、科研機構與企業需共同發力，加大對基礎敏感材料、產品工藝技術，以及行業應用研究的資金投入。鼓勵產學研深度合作，搭建聯合研發平臺，整合各方資源，攻克技術難題。例如，科研機構專注于前沿理論研究，高校負責人才培養與技術儲備，企業則將科研成果轉化為實際產品，實現優勢互補，加速技術創新進程。

（三）加強人才培養與引進

高校優化相關學科設置，增設量子傳感器相關專業課程，培養具備量子物理、材料科學、電子工程等多學科知識的復合型人才。同時，出臺人才引進政策，吸引海外高端人才投身量子傳感器研發，提升我國人才隊伍的整體實力，為技術創新提供智力支持。

（四）建立標準與規范體系

行業協會需聯合科研機構、企業等相關主體，加快制定量子傳感器技術標準與行業規范。明確產品性能指標、檢測方法、質量控制等方面的標準，確保產品質量一致性與可靠性，促進市場健康有序發展，提升產品在國際市場的競爭力。

（五）拓展應用場景與市場

鼓勵企業積極開展市場調研，深入挖掘各行業的潛在需求，拓展應用場景。加強與下游企業的合作，共同開發定制化解決方案，推動量子傳感器在新興領域的應用，如智能安防、量子計算輔助監測等，培育新的市場增長點，擴大市場規模。

（六）推動產業協同發展

構建完善的創新產業鏈，加強上中下游企業之間的協同合作。上游材料供應商與中游企業制造商緊密配合，保障原材料的蓬勃發展貢獻力量。

Quantum Techology： Leading Sensor Innovation and Industrial Transformation

Guo Yuansheng

Abstract： This paper comprehensively discusses quantum sensors. Firstly， it expounds on the botlenecks faced by the traditional sensor industry in aspects such as technological innovation and application expansion， such as fierce homogeneous competition of products and the diffculty in meeting the needs of emerging industries.Then， it deeply introduces the technical basis and principles of quantum sensors based on quantum tunneling effect， quantum entanglement， quantum Hal efect， etc.， as well as their advantages of ultra-high precision，high sensitivityand fast response.Subsequently，it elaborates in detail on key core technologies such as atomic magnetometer technology and superconducting quantum interference technology， and sensitive materials such as superconducting materials and semiconductor quantum dot materials. Moreover， it explores the application scenarios of quantum sensors in multiple industries，including medical，communication，energy， intelligent transportation， intelligent agriculture，and financial security. Through comparative analysis of the current development status of this field at home and abroad.By presenting the current market scale through market data and predicting the future growth trend， it elaborates on the challenges in industrializationand looks forward to the future development direction.Finally，suggestions for promoting the technological innovation and industrialization development of quantum sensors in China are put forward from aspects such as policy support，scientific research cooperation，talentcultivation，standard establishment，market expansion，and industrial collaboration.

Keywords： Quantum Sensors； Sensing Technology； Industrial Application； Technological Innovation