在過去的2025年，雖然AI、具身智能、自動駕駛依舊是全球最熱門的高科技領(lǐng)域，并帶動了觸覺傳感器、六維力傳感器、激光雷達、視覺傳感器等傳感產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。 但在廣闊的傳感器科技領(lǐng)域，另一條前沿傳感科技賽道，正在加速商業(yè)化落地。 這就是量子傳感器，全球知名咨詢機構(gòu)麥肯錫（McKinsey & Co）甚至將2025 年稱為“量子元年”。麥肯錫公司在其第四份年度量子技術(shù)監(jiān)測報告中指出，量子傳感“已進入關(guān)鍵階段，而現(xiàn)實世界的應(yīng)用開發(fā)將是釋放其全部潛力的核心”。（“has entered a pivotal phase, and real-world application development will be central to unlocking its full potential”. ） 在量子技術(shù)的三大應(yīng)用領(lǐng)域——量子計算、量子通信、量子精密測量（鏈子傳感）中，量子傳感是商業(yè)化之路相對最短的量子領(lǐng)域。 事實上，量子傳感技術(shù)的多種應(yīng)用已經(jīng)使用了幾十年。譬如，原子鐘就利用量子傳感技術(shù)來精確測量時間，第一個實用的原子鐘模型于1955年研制成功，原子鐘在全球定位系統(tǒng)（GPS）中至關(guān)重要。磁共振成像技術(shù)是量子傳感技術(shù)的另一項常見應(yīng)用，自20世紀(jì)70年代以來，它已被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷和研究領(lǐng)域。 量子傳感技術(shù)的快速商業(yè)化落地，亦體現(xiàn)在資本市場，在中國，2025年12月，國儀量子遞交科創(chuàng)板IPO申請獲受理，有望沖擊“國產(chǎn)量子傳感器第一股”。國儀量子是中國傳感器獨角獸企業(yè)，此前估值已超70億元，其核心技術(shù)是以量子精密測量為代表的先進測量技術(shù)，為全球范圍內(nèi)企業(yè)、政府、研究機構(gòu)提供以增強型量子傳感器為代表的核心關(guān)鍵器件、用于分析測試的科學(xué)儀器裝備、賦能行業(yè)應(yīng)用的核心技術(shù)解決方案等優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)。相關(guān)信息參看估值超70億，安徽傳感器獨角獸科創(chuàng)板IPO！募資11.69億元 鑒于量子科技的快速發(fā)展，近期，由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主管，科技導(dǎo)報社主辦、出版的學(xué)術(shù)期刊《前瞻科技》，推出量子科技發(fā)展戰(zhàn)略專刊系列。 本文，為其中關(guān)于量子傳感的綜述內(nèi)容——《量子傳感技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》，作者魏小剛、楊仁福等為北京量子信息科學(xué)研究院研究員。 該論文是近期較全面的量子傳感產(chǎn)業(yè)發(fā)展綜述內(nèi)容，文章介紹了世界各國在量子傳感技術(shù)方面的發(fā)展戰(zhàn)略及支持，概述了量子傳感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，包括其所涵蓋的領(lǐng)域、主要的應(yīng)用場景及取得的重要成果，梳理了存在的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，并對我國的量子傳感技術(shù)發(fā)展提出了建議。

原標(biāo)題：《量子傳感技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》

作者：魏小剛，楊仁福等

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作為量子信息科技領(lǐng)域的關(guān)鍵支柱，量子傳感與量子精密測量同量子計算、量子通信共同構(gòu)建起未來科技發(fā)展的戰(zhàn)略基石。量子傳感與量子精密測量是通過操控一定的量子系綜，利用能級躍遷、相干疊加、量子糾纏等量子特性，突破經(jīng)典探測手段的瓶頸，實現(xiàn)測量準(zhǔn)確度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面的數(shù)量級提升。

在國防安全領(lǐng)域，量子傳感技術(shù)憑借其超高精度與靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)對微弱信號的精準(zhǔn)捕捉與解析，在反潛作戰(zhàn)和導(dǎo)彈控制等方面可以增強軍隊的作戰(zhàn)能力與戰(zhàn)略威懾力。在民用領(lǐng)域，量子傳感技術(shù)同樣展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力與經(jīng)濟價值。例如，可以為智能電網(wǎng)的建設(shè)與優(yōu)化提供有力支撐；提升5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍與通信質(zhì)量；助力疾病的早期診斷與精準(zhǔn)治療，為生命科學(xué)研究開辟了新的道路。量子傳感技術(shù)的發(fā)展還將對無人駕駛、萬物互聯(lián)、腦機接口等新興行業(yè)產(chǎn)生強大的牽引作用?；A(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，如暗物質(zhì)、暗能量的研究更是依賴突破傳統(tǒng)極限的量子傳感技術(shù)。

量子傳感技術(shù)不僅是高精尖技術(shù)，更能推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級，形成萬億級量子經(jīng)濟市場。大國競爭的核心之一是量子產(chǎn)業(yè)鏈的控制權(quán)，量子傳感的核心技術(shù)具有極高的技術(shù)壁壘，目前僅有少數(shù)國家掌握。量子傳感技術(shù)的優(yōu)勢直接關(guān)系國家戰(zhàn)略安全、科技前沿話語權(quán)、產(chǎn)業(yè)升級主動權(quán)。這些領(lǐng)域的領(lǐng)先地位決定了大國在全球格局中的競爭力，因此成為中國、美國、歐盟、日本等國家和地區(qū)博弈的核心領(lǐng)域。文章通過梳理國內(nèi)外量子傳感技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局，系統(tǒng)闡述該技術(shù)的研究現(xiàn)狀，深入剖析關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，并從政策層面提出發(fā)展建議，以期為我國量子傳感技術(shù)的發(fā)展提供支撐，助力提升我國在該領(lǐng)域的全球戰(zhàn)略競爭力。

1.國內(nèi)外量子傳感技術(shù)戰(zhàn)略布局

憑借原理上的超高精度優(yōu)勢，以及在醫(yī)療、導(dǎo)航等領(lǐng)域的明確應(yīng)用需求，全球量子精密測量與傳感產(chǎn)業(yè)市場收入逐年增長。根據(jù)英國IDTechEx公司對量子傳感器市場進行的分析，量子傳感器市場在2025—2045年的復(fù)合年增長率（Compound Annual Growth Rate, CAGR）預(yù)計可達11.4%，到2045年市場規(guī)模將增至22億美元。目前國際上多個科技強國發(fā)布了量子傳感技術(shù)專項計劃和國家重點發(fā)展方向，把量子傳感器列為核心發(fā)展領(lǐng)域，將重心放在戰(zhàn)略應(yīng)用和成果轉(zhuǎn)化，支持科研機構(gòu)聯(lián)合研發(fā)或成立新型機構(gòu)，推進重點方向研發(fā)與應(yīng)用。

1.1 中國

我國高度重視量子信息技術(shù)發(fā)展，已將量子傳感與測量技術(shù)納入國家發(fā)展戰(zhàn)略。自2016年起，我國布局了多個量子傳感與測量領(lǐng)域的重點項目，如科技部“地球觀測與導(dǎo)航”“智能傳感器”等重點研發(fā)計劃等。2022年1月，國務(wù)院印發(fā)《計量發(fā)展規(guī)劃（2021—2035）》，實施“量子度量衡”計劃，重點研究基于量子效應(yīng)和物理常數(shù)的量子計量技術(shù)及計量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)裝置小型化技術(shù)，突破量子傳感和芯片級計量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，形成核心器件研制能力。科技部科技創(chuàng)新2030—“量子通信與量子計算機”項目中，將量子精密測量列為三大重點領(lǐng)域之一。國家自然科學(xué)基金委員會“高精度量子操控與探測重大研究計劃”于2024年和2025年以每年約5 000萬元的資金規(guī)模支持相關(guān)研究。

近年來國內(nèi)多省市紛紛出臺政策措施，成立新機構(gòu)或?qū)I(yè)研究部門，支持量子傳感技術(shù)發(fā)展。國內(nèi)量子技術(shù)研發(fā)機構(gòu)紛紛設(shè)置量子傳感或量子精密測量部門。同時傳統(tǒng)綜合性大學(xué)或計量專業(yè)研究機構(gòu)等也在積極開展量子傳感技術(shù)相關(guān)研究，如清華大學(xué)物理系極端條件下的精密測量、北京大學(xué)量子電子學(xué)研究所原子鐘和腦成像技術(shù)、北京航空航天大學(xué)大科學(xué)裝置研究院量子精密測量和傳感方向等。

1.2 美國和加拿大

2018年12月，美國總統(tǒng)簽署《國家量子計劃法案》（H.R.6227），設(shè)立國家量子計劃協(xié)調(diào)辦公室（National Quantum Coordination Office, NQCO）等管理協(xié)調(diào)機構(gòu)，正式啟動為期10年的國家量子計劃（National Quantum Initiative, NQI）；2022年4月，美國發(fā)布名為《將量子傳感器付諸實踐》的量子傳感器國家戰(zhàn)略，將量子傳感器列為NQI的近期核心目標(biāo)，并統(tǒng)籌協(xié)調(diào)學(xué)術(shù)、產(chǎn)業(yè)界與政府各機構(gòu)間的研發(fā)合作；2023年11月，《國家量子倡議重新授權(quán)法案》（H.R.6213）獲得美國眾議院全體委員會通過，2024年參議院多位議員共同提出的新法案對眾議院提出的原法案做了部分修改，授權(quán)2025—2029財年為美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）、國家科學(xué)基金會（National Science Foundation, NSF）和航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）的量子研發(fā)撥款從18億美元增至27億美元。

2023年1月，加拿大創(chuàng)新、科學(xué)和經(jīng)濟發(fā)展部宣布啟動《國家量子戰(zhàn)略》（2021年6月發(fā)布）的實施階段，該舉措旨在鞏固其在量子研究領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位，通過推動量子技術(shù)研發(fā)、培育量子科技企業(yè)、培養(yǎng)專業(yè)人才，最終塑造加拿大量子技術(shù)的長期發(fā)展優(yōu)勢。

1.3 歐盟和英國

2022年，歐盟量子旗艦計劃（Quantum Flagship）發(fā)布初步戰(zhàn)略研究和行業(yè)議程（Strategic Research and Industry Agenda, SRIA），系統(tǒng)概述了量子傳感與計量、量子計算、量子通信等核心量子技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)路線及工業(yè)落地規(guī)劃。2024年，歐盟推出《2030年戰(zhàn)略研究和產(chǎn)業(yè)議程：量子技術(shù)十年目標(biāo)與路線圖》，通過整合歐盟量子旗艦計劃資源，減少對外國開發(fā)的關(guān)鍵組件和硬件的依賴，將歐洲定位為世界上第一個“量子谷”，以使量子傳感技術(shù)領(lǐng)域在2030年前實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

2021年，德國發(fā)布《國家量子系統(tǒng)議程2030》，布局10年內(nèi)包括量子雷達、量子磁力儀、量子成像等量子傳感技術(shù)領(lǐng)域的研究計劃。2023年4月，德國通過了《量子技術(shù)行動計劃》，該計劃由聯(lián)邦教研部提出，旨在推動量子技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，以確保德國在這一關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)主權(quán)和國際競爭力。計劃在2023—2026年為量子技術(shù)研發(fā)提供約30億歐元的資金支持，這一計劃的3項優(yōu)先事項之一就是量子傳感技術(shù)。

2021年，法國啟動《量子技術(shù)國家戰(zhàn)略》，計劃圍繞量子通信、量子計算、量子傳感等戰(zhàn)略目標(biāo)投入18億歐元的資金支持，其中2.5億歐元用于支持量子傳感技術(shù)。

2013年，英國啟動全世界第一個系統(tǒng)性的發(fā)展量子技術(shù)的國家戰(zhàn)略——國家量子科技計劃（National Quantum Technologies Programme, NQTP），該計劃提供約10億英鎊支持量子傳感和計時技術(shù)中心、量子成像技術(shù)中心建設(shè)，引領(lǐng)眾多大學(xué)參與量子傳感技術(shù)研究。2023年3月，英國科學(xué)、技術(shù)與創(chuàng)新部發(fā)布《國家量子戰(zhàn)略》，明確了英國在未來10年成為世界領(lǐng)先的量子經(jīng)濟體的愿望，預(yù)計到2030年量子傳感技術(shù)將產(chǎn)生至少50億美元的收益。

1.4 其他國家

2017年，日本推出量子飛躍旗艦計劃（Quantum Leap, Q-LEAP）重點支持重力梯度傳感、量子慣性傳感、量子磁力儀、糾纏光子量子測量等研究。2020年和2022年，日本先后發(fā)布《量子技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略》《量子未來社會愿景》，分別聚焦量子技術(shù)研發(fā)和量子技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。2023年出臺《量子未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造戰(zhàn)略》，提出需要重點優(yōu)先推進的舉措。這些計劃均將量子傳感與測量作為核心領(lǐng)域。

2023年，澳大利亞政府發(fā)布了該國首個《國家量子戰(zhàn)略》。目標(biāo)為培育工業(yè)、企業(yè)、大學(xué)、各州地區(qū)和國際合作伙伴間的合作優(yōu)勢，建立一個繁榮、可靠的量子生態(tài)系統(tǒng)，將澳大利亞變成全球量子技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，在未來建立更強大的產(chǎn)業(yè)并創(chuàng)造就業(yè)機會，通過新的項目激勵量子傳感技術(shù)應(yīng)用。

2.量子傳感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

量子傳感技術(shù)按照其測量的物理量和應(yīng)用場景分類，可分為時間測量、磁場傳感、電場傳感、慣性傳感、重力傳感、生物傳感等技術(shù)，以及相關(guān)的前沿科學(xué)技術(shù)。

2.1 時間測量技術(shù)

高精度時間是國家的戰(zhàn)略資源，原子鐘是精確時間的源頭，曾有14項諾貝爾物理學(xué)獎成果與原子鐘技術(shù)密切相關(guān)。原子鐘以原子能級間量子躍遷的頻率作為標(biāo)準(zhǔn)，可以實現(xiàn)精確的時間測量或頻率校準(zhǔn)，已廣泛應(yīng)用于守時、授時、用時系統(tǒng)，以及前沿科學(xué)研究等領(lǐng)域。按照原子躍遷能級譜線對應(yīng)的頻段區(qū)分，可分為兩類：微波原子鐘（躍遷頻率在微波段）和光學(xué)原子鐘（躍遷頻率在光波段，也稱光鐘）。目前，各國競相在芯片級微波原子鐘和光鐘方面加大研究力度，以獲得更小尺寸的實用化原子鐘或更高精度的原子鐘。近兩年來，核鐘的研究受到各國科學(xué)家的關(guān)注，有望在時間頻率的測量不確定度方面取得新突破。

芯片級微波原子鐘的研究目前處于工程化階段。發(fā)展最快的是美國Microchip公司，其SA.45s等系列產(chǎn)品已批量生產(chǎn)，體積為16 cm3，功耗為125 mW，頻率穩(wěn)定度為1.5×10-10@1 s、5×10-11@10 s、1.5×10-11@100 s。法國貝桑松Femto-ST實驗室、瑞士納沙泰爾大學(xué)和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、德國烏爾姆大學(xué)正在開展相關(guān)研制。我國北京量子信息科學(xué)研究院、中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院（簡稱精密測量院）、成都天奧電子等機構(gòu)已實現(xiàn)微型原子鐘原理樣機的研制及部分應(yīng)用。北京量子信息科學(xué)研究院楊仁福團隊研制的微型原子鐘（圖1），體積為15 cm3，功耗為0.8 W，頻率穩(wěn)定度5×10-11@1 s、2×10-11@10 s、5×10-12@100 s，在體積和守時指標(biāo)上處于國內(nèi)外領(lǐng)先水平。

圖1北京量子信息科學(xué)研究院研制的芯片原子鐘

Fig. 1Chip-scale atomic clock developed by BeijingAcademy of Quantum Information Sciences (BAQIS)

在光鐘方面，目前仍處于實驗室研制階段。美國NIST、英國國家物理實驗室、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院、法國巴黎天文臺等國際計量機構(gòu)皆在開展光鐘的研制。我國的中國計量科學(xué)研究院、國家授時中心、精密測量院、華東師范大學(xué)、國防科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京大學(xué)等研制的光鐘，頻率準(zhǔn)確度達到10-17量級。2024年初，合肥國家實驗室/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)成功研制了萬秒穩(wěn)定度和不確定度均優(yōu)于5×10-18的鍶（Sr）原子光晶格鐘。2024年，美國實驗天體物理聯(lián)合研究所葉軍團隊研制的Sr原子光晶格鐘不確定度達到8.1×10-19。

目前，光鐘的發(fā)展方向為繼續(xù)提升穩(wěn)定度和集成化，基于雙光子躍遷原理的光鐘具有高度集成化的潛力。我國光鐘的研究與國外最高水平接近，處于國際先進水平。

核鐘通過特定原子核的基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的躍遷，以該躍遷頻率作為超穩(wěn)定頻率標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)原子鐘不同，核鐘利用的是原子核本身的量子振蕩。原子核的能級躍遷頻率受外界環(huán)境的干擾更小，因此計時穩(wěn)定性更優(yōu)。1996年，俄羅斯Tkalya最早提出將“核激發(fā)”作為計時用高穩(wěn)定光源的想法，為核鐘的研究奠定了理論基礎(chǔ)。2024年，來自歐洲的Tiedau等和美國的Elwell等利用229Th摻雜的氟化鈣（CaF?）晶體，先后報道了229Th原子核躍遷的能量，對應(yīng)的輻射頻率為2 020.407 THz，解決了核鐘發(fā)展的關(guān)鍵問題。

2024年9月，葉軍團隊通過使用真空紫外（Vacuum Ultraviolet, VUV）頻率梳直接激發(fā)固態(tài)CaF?材料中摻雜的229Th核鐘躍遷，建立了229mTh核同質(zhì)異能躍遷與87Sr原子鐘的直接頻率比對，精確測量了相關(guān)頻率、核四極分裂及固有屬性，為核鐘發(fā)展鋪平了道路。

2024年12月，美國實驗天體物理聯(lián)合研究所與NIST等研究機構(gòu)成功開發(fā)出四氟化釷（ThF?）薄膜，這種薄膜的放射性大幅降低，成本效益更高，有望解決地球上229Th儲量少的問題。

目前，核鐘的關(guān)鍵技術(shù)正被逐步突破，未來可期。我國對核鐘的研究整體上處于跟蹤研究狀態(tài)，與國際最高水平存在一定差距。

2.2 磁場傳感技術(shù)

磁場測量主要是面向微弱磁場的測量，其原理是基于自旋磁矩在磁場中的拉莫爾進動效應(yīng)，利用進動頻率或塞曼能級分裂大小與磁場強度成正比的關(guān)系，實現(xiàn)磁場的傳感和測量。原子磁力儀可分為以下兩類：基于原子氣室自旋體系的光泵磁力儀、無自旋交換弛豫（Spin Exchange Relaxation Free, SERF）磁力儀；基于固態(tài)自旋體系的金剛石氮空位（Nitrogen Vacancy, NV）色心磁力儀。其中光泵磁力儀環(huán)境適應(yīng)性強，SERF磁力儀具有最高的極限靈敏度，金剛石NV色心磁力儀空間分辨率高，此外還有利用超冷原子的技術(shù)路徑，其產(chǎn)業(yè)化還有較長的路要走。

國際上，美國和德國在磁力儀研制和產(chǎn)業(yè)化方面處于領(lǐng)先地位，有多款成熟產(chǎn)品。美國Quspin公司和Twinleaf公司已推出小型原子磁力儀商業(yè)化產(chǎn)品，在地磁下可實現(xiàn)1 pT/√Hz的探測靈敏度，可用于深海探潛（對我國禁運）；其零場磁力儀可優(yōu)于15 fT/√Hz的探測靈敏度，主要用于心腦磁成像和疾病診斷，近年來又推出了升級產(chǎn)品，拓展了應(yīng)用范圍。德國斯圖加特大學(xué)、烏爾姆大學(xué)、美國哈佛大學(xué)也成立了金剛石NV色心磁力儀產(chǎn)品研發(fā)公司，積極推進產(chǎn)品研發(fā)。

在國內(nèi)，北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京量子信息科學(xué)研究院、中國人民解放軍軍事科學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所等科研機構(gòu)對原子磁力儀均有研究。復(fù)旦大學(xué)在室溫銣原子氣室中研制了7 fT/√Hz靈敏度的原子磁力儀。北京航空航天大學(xué)在大裝置上實現(xiàn)了零場磁強計優(yōu)于0.1 fT/√Hz的靈敏度。北京大學(xué)研制的原子磁場梯度儀靈敏度達到4 fT/（cm·√Hz）@1~30 Hz，成功觀測到視覺與聽覺誘發(fā)的人體腦磁信號。2022年，中國科學(xué)院“力箭一號”火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，將空間新技術(shù)試驗衛(wèi)星（Space Advanced Technology Demonstration Satellite, SATech）成功送入預(yù)定軌道，搭載的國產(chǎn)相干布局囚禁（Coherent Population Trapping, CPT）原子磁力儀首次進入宇宙空間并實現(xiàn)了全球磁場測量。北京量子信息科學(xué)研究院在實驗室實現(xiàn)了地磁噪聲環(huán)境下1 pT/√Hz的磁場測量靈敏度，成功開展了原子磁力儀在電網(wǎng)和管網(wǎng)的測試應(yīng)用。

目前我國已有商業(yè)公司推出磁力儀和心腦磁儀產(chǎn)品，但成熟度相比國外產(chǎn)品稍有差距。

2.3 電場傳感技術(shù)

電場測量是將處于高激發(fā)能級量子態(tài)的里德堡原子作為傳感單元，利用這種量子態(tài)對電場強度和頻率敏感的特性，實現(xiàn)高靈敏的電場傳感。對應(yīng)的傳感器是原子電場傳感器（即原子天線），具有廣泛的應(yīng)用前景，可以為我國在現(xiàn)代化通信、導(dǎo)航、雷達探測、電磁對抗中保持優(yōu)勢地位提供保障。量子電場傳感領(lǐng)域尚屬起步階段，國內(nèi)外發(fā)展并駕齊驅(qū)，在此著力將會在未來電磁波偵測領(lǐng)域占得先機。

國際上以美國陸軍研究實驗室、NIST、馬里蘭大學(xué)、密歇根大學(xué)、德國斯圖加特大學(xué)等為代表。美國陸軍研究實驗室實現(xiàn)了-145 dBm/Hz的靈敏度、DC~20 GHz的探測范圍，并完成了藍(lán)牙、Wi-Fi等頻點監(jiān)測實驗，美國Rydberg Technologies公司推出可搬運的里德堡原子電場量子傳感樣機。我國北京量子信息科學(xué)研究院、山西大學(xué)、華南師范大學(xué)、中國計量科學(xué)研究院、航天科工集團等在電場傳感技術(shù)領(lǐng)域具備領(lǐng)先研發(fā)優(yōu)勢。其中，山西大學(xué)在2020年實現(xiàn)了5.5 μV/（m√Hz）的極限靈敏度和780 pV/cm的最小可測電場強度，2025年采用腔增強探測實現(xiàn)了2.6 nV/（cm√Hz）的測量靈敏度。北京量子信息科學(xué)研究院實現(xiàn)了7.8 nV/cm的最小測量電場強度，以及覆蓋50 MHz~40 GHz的電場測量范圍，將里德堡原子電磁探測系統(tǒng)高度集成化（標(biāo)準(zhǔn)4 U機箱），并作為2024年中關(guān)村論壇重大成果發(fā)布（圖2）。

圖2北京量子信息科學(xué)研究院的集成化里德堡電磁探測系統(tǒng)

Fig. 2Integrated Rydberg electromagnetic detection system developed by BAQIS

2.4 慣性傳感技術(shù)

量子慣性測量技術(shù)以陀螺儀為代表，主要有兩種技術(shù)路線：一是通過探測有核自旋磁矩的原子系綜隨系統(tǒng)轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的自旋進動狀態(tài)變化實現(xiàn)慣性測量，對應(yīng)傳感器為核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）陀螺儀；另一種是通過探測載體轉(zhuǎn)動時物質(zhì)波干涉條紋的變化進行慣性測量，對應(yīng)傳感器是原子干涉陀螺儀。陀螺儀具有重大戰(zhàn)略價值，特別是小型化陀螺儀不僅對涉及國家安全的國防戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器裝備具有應(yīng)用價值，也可為空中飛行器、地面運輸設(shè)備、水下潛航器等提供高精度定位導(dǎo)航。

國際上，美國和歐盟的研究處于領(lǐng)先地位。NMR陀螺儀研發(fā)主要以美國普林斯頓大學(xué)、加州大學(xué)等為代表，美國Northrop Grumman公司已相繼推出4代小型化的樣機，體積10 cm3，角度隨機游走0.001 （°）/√h，精度0.02 （°）/h。原子干涉陀螺儀研究以美國斯坦福大學(xué)、耶魯大學(xué)、桑迪亞國家實驗室、法國巴黎天文臺、德國漢諾威大學(xué)等科研機構(gòu)為代表，斯坦福大學(xué)研制的原子干涉陀螺靈敏度3.0×10-6（°）/√h，零偏穩(wěn)定性約為6.0×10-5（°）/h，保持當(dāng)前最好的原子干涉陀螺儀性能指標(biāo)。

國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)、北京自動化控制設(shè)備研究所、北京航天控制儀器研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)及國防科技大學(xué)等單位正開展NMR陀螺儀原理樣機研制，尚無成熟產(chǎn)品。清華大學(xué)、精密測量院、中國船舶集團有限公司第七一七研究所及北京航天控制儀器研究所正在開展原子干涉陀螺儀研究，距離應(yīng)用仍有一定差距。

2.5 重力傳感技術(shù)

重力測量是指激光冷卻并俘獲的銣或銫冷原子團在重力作用下上拋或自由下落過程中可形成物質(zhì)波干涉，通過分析物質(zhì)波干涉結(jié)果，實現(xiàn)高精度絕對重力加速度和相對加速度變化或梯度測量。理論上原子重力儀測量靈敏度比傳統(tǒng)重力儀高3個數(shù)量級。目前已處于商業(yè)化應(yīng)用探索階段，是地球物理、資源勘探、空間科學(xué)、海洋探測、導(dǎo)航定位等領(lǐng)域必不可少的重要觀測手段。

國際上，歐美等發(fā)達國家率先推進原子重力儀技術(shù)從實驗室研究步入工程應(yīng)用，英國伯明翰大學(xué)研制了在實驗室外應(yīng)用的原子重力梯度儀，統(tǒng)計不確定度為20E（1 E=1×10-9s-2），可探測到道路下0.5 m橫截面積4 m2的隧道，為考古、導(dǎo)航、城市規(guī)劃和防災(zāi)等領(lǐng)域應(yīng)用進行了演示驗證（圖3）；2024年，德國漢諾威萊布尼茲大學(xué)報道了糾纏增強的原子重力儀，其測量靈敏度已接近標(biāo)準(zhǔn)量子極限。美國AOSense公司和法國Muquans公司（被法國iXblue公司收購）的原子重力儀已商業(yè)化，基本能夠滿足用戶在實驗室靜態(tài)環(huán)境下的絕對測量需求。在2022年“五眼環(huán)太平洋”演習(xí)期間，美國研制的固定式冷原子干涉重力儀在新西蘭皇家海軍艦艇上自主運行了21天，驗證了其實用性。歐盟計劃將原子干涉重力/重力梯度儀應(yīng)用于太空環(huán)境中，法國計劃為艦艇研制冷原子重力儀以提升水下環(huán)境探測能力。國內(nèi)，華中科技大學(xué)、精密測量院、中國計量科學(xué)研究院、國防科技大學(xué)、軍事科學(xué)院等單位正開展量子重力儀野外應(yīng)用研究并逐步推進產(chǎn)業(yè)化，華中科技大學(xué)已于2021年向中國地震局交付首臺銣原子重力儀。

圖3英國伯明翰大學(xué)量子重力梯度儀用于地下信息感知

Fig. 3Quantum gravimeter developed by the University of Birmingham (UK) for subsurface information sensing

2.6 量子生物傳感技術(shù)

量子生物傳感技術(shù)是對生物特定過程伴隨的磁場、電場、溫度、壓力等物理量和化學(xué)量變化進行測量，基于這些測量來表征生物過程或進行醫(yī)療診斷的量子傳感技術(shù)應(yīng)用。與傳統(tǒng)傳感技術(shù)相比，量子生物傳感器在探測靈敏度和空間分辨率指標(biāo)上都有數(shù)量級提升，根據(jù)工作場景和測量值不同，評價指標(biāo)各有側(cè)重。從應(yīng)用需求上可分為兩大類：高靈敏度量子傳感和微納米級尺度上高空間分辨率的量子傳感。

國際上生物傳感器正處于前期布局階段，2019年，德國聯(lián)邦政府與巴登符騰堡州共同投資2 200萬歐元，在德國烏爾姆大學(xué)成立量子生物科技中心；2021年，美國NSF投資2 500萬美元，成立生物傳感和量子模擬的量子躍遷挑戰(zhàn)研究所。美國、德國均希望通過重點研究支持在該領(lǐng)域搶得先機，以利用量子優(yōu)勢驅(qū)動生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)和化學(xué)的快速發(fā)展。美國Polatomic公司、Geometrics公司、英國Magnetic Shields公司已推出基于光泵磁力儀的可穿戴式腦磁設(shè)備。英國諾丁漢大學(xué)同英國Cerca Magnetics公司合作，成功安裝了第1套光泵磁力儀腦磁圖腦電圖系統(tǒng)，用于功能性神經(jīng)成像研究。

金剛石NV色心為科學(xué)家從納米尺度上觀測生物體系中的生物物理和生物化學(xué)過程提供了可能，也為生物學(xué)、化學(xué)和藥學(xué)等學(xué)科研究提供了嶄新的量子視角。英國倫敦大學(xué)學(xué)院利用化學(xué)修飾的納米金剛石NV色心自旋量子平臺，實現(xiàn)了病毒核糖核酸 （Ribonucleic Acid, RNA）單次復(fù)制10 min快檢，靈敏度超過世界健康組織標(biāo)準(zhǔn)的50倍。金剛石NV色心傳感器能夠測量細(xì)胞內(nèi)的溫度、酸堿度、力（壓力）、神經(jīng)電波及腦電磁信號，能夠?qū)崿F(xiàn)在各種蛋白質(zhì)分子中單個原子核磁矩的測量，以進行分子解析及分子動力學(xué)研究。理論和實驗均已證明，經(jīng)靶向材料化學(xué)修飾并完成原子核極化的納米金剛石，可通過磁共振成像實現(xiàn)鮮明的癌細(xì)胞造影及藥物傳遞造影。

國內(nèi)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)及其初創(chuàng)公司國儀量子，利用金剛石NV色心磁顯微鏡實現(xiàn)了腫瘤生物標(biāo)志物的磁成像和量化。香港中文大學(xué)開展了多種基于金剛石NV色心系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)溫度、壓力成像技術(shù)；北京航空航天大學(xué)、北京大學(xué)分別基于高靈敏度磁力儀開展生物磁探測和腦磁圖分析系統(tǒng)研制。

2.7 量子傳感前沿技術(shù)

基于量子物理的測量理論，利用量子壓縮和量子糾纏等非經(jīng)典態(tài)，可實現(xiàn)突破經(jīng)典物理極限的測量靈敏度，是量子精密測量與傳感的前沿領(lǐng)域，也是歐美等量子科技強國的重要支持方向。美國激光干涉引力波觀測站（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO）團隊于2015年首次觀測到黑洞合并產(chǎn)生的引力波信號，這是引力波探測領(lǐng)域的突破性貢獻，相關(guān)研究者獲得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎。美國麻省理工學(xué)院的鐿（Yb）原子光鐘實現(xiàn)了多原子糾纏和自旋壓縮，在光學(xué)腔中冷卻并俘獲了350個Yb原子，獲得了低于標(biāo)準(zhǔn)量子極限4.4 dB的光鐘信號。

金剛石NV色心具有極強的環(huán)境適應(yīng)性，在近絕對零度及百GPa量級的極高壓狀況下，依然可以實現(xiàn)物理場的傳感。近年來，NV色心這項優(yōu)勢在超導(dǎo)材料研究中得到了充分的應(yīng)用。2024年美國加利福尼亞大學(xué)的Yao團隊在高壓低溫條件下對材料附近的磁場進行探測成像，基于邁斯納效應(yīng)研究超導(dǎo)態(tài)的相變，為超導(dǎo)材料的表征提供了新的判斷方法。

在推進面向突破經(jīng)典極限的量子精密測量方面，我國處于國際先進水平。清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、山西大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、北京量子信息科學(xué)研究院、華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院相關(guān)研究所都有相關(guān)前沿研究成果。2023年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京大學(xué)、浙江大學(xué)等多單位組成的研究團隊，搭建了由分布于相距約1 700 km的兩個屏蔽室內(nèi)的15個SERF原子磁力儀構(gòu)成的長基線網(wǎng)絡(luò)，用于探測暗光子暗物質(zhì)（圖4）。相比以往單探測器搜索，長基線測量有效降低本地噪聲源，在4.1 feV~2.1 peV質(zhì)量范圍對暗光子動力學(xué)混合系數(shù)進行限制，這一成果超越了當(dāng)前的地面實驗水平。

圖4基于磁力儀長基線網(wǎng)絡(luò)探測暗光子暗物質(zhì)

Fig. 4Detection of dark photon dark matter based on magnetometer long baseline network

3.關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

量子傳感的技術(shù)核心是通過量子系統(tǒng)實現(xiàn)高精度測量，但其落地需突破從基礎(chǔ)理論可行到實際環(huán)境可用的轉(zhuǎn)化瓶頸，既要維持量子態(tài)的高靈敏度，又要應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境的干擾，同時需要滿足小型化、低功耗、低成本的產(chǎn)業(yè)需求。因此，當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵矛盾已從能否實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)向如何在實用場景中穩(wěn)定實現(xiàn)高精度，量子傳感技術(shù)目前面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)主要有5個方面。

1）量子操控與讀出技術(shù)

量子操控與讀出是量子傳感技術(shù)的基石，需實現(xiàn)對量子系統(tǒng)（原子、光子、NV色心等）的精準(zhǔn)初始化、態(tài)調(diào)控與結(jié)果讀取，其成熟度直接決定傳感器的工作性能。目前該技術(shù)已形成多路線并行的成熟體系，不同技術(shù)路線對應(yīng)不同應(yīng)用場景，且均具備工業(yè)化適配潛力。

2）環(huán)境噪聲抑制與隔離

量子態(tài)對環(huán)境噪聲，如熱噪聲、振動、電磁干擾、控制噪聲等，極度敏感，環(huán)境擾動會導(dǎo)致測量精度下降。同時由于量子傳感技術(shù)的高靈敏度，目標(biāo)物理量與環(huán)境物理量都會被測量到。因此，噪聲抑制技術(shù)是量子傳感技術(shù)從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵，通過被動屏蔽大部分環(huán)境噪聲，主動補償殘余的動態(tài)干擾，其適配性直接決定應(yīng)用場景的廣度。

3）小型化、集成化與便攜性

量子傳感技術(shù)的早期設(shè)備多依賴實驗室設(shè)施，如激光系統(tǒng)、真空腔和高性能檢測設(shè)備等，體積大、成本高，僅能用于科研領(lǐng)域。要實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，必須將系統(tǒng)芯片化和便攜化，降低體積、功耗和成本。這是當(dāng)前全球研發(fā)的熱點，也是企業(yè)競爭的核心賽道。

4）校準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)化

量子傳感技術(shù)的精準(zhǔn)度需通過統(tǒng)一的校準(zhǔn)方法與標(biāo)準(zhǔn)驗證，才能確保不同設(shè)備測量結(jié)果可比較。例如，兩家公司的量子磁力儀若校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)不同，可能導(dǎo)致對同一磁場的測量結(jié)果差異超過10%，嚴(yán)重影響行業(yè)信任。因此，校準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)化是量子傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的前提條件，當(dāng)前全球正加速推進相關(guān)工作。

5）人工智能賦能的精密測量

隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，人工智能結(jié)合量子傳感技術(shù)的優(yōu)勢已經(jīng)得到驗證。進一步的研究需要通過人工智能算法實現(xiàn)智能噪聲建模與補償，在振動、磁場漂移、溫度波動等復(fù)雜環(huán)境中實現(xiàn)信噪比提升；在有限樣本下進行小樣本學(xué)習(xí)或在線學(xué)習(xí)，提升測量精準(zhǔn)度與魯棒性；通過強化學(xué)習(xí)或貝葉斯優(yōu)化實現(xiàn)自適應(yīng)實驗控制與反饋優(yōu)化，增強傳感器在動態(tài)環(huán)境中的可用性。

4.政策建議

量子傳感技術(shù)作為量子技術(shù)中最接近產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)域，正處于從原型驗證向規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵過渡期，其應(yīng)用條件已部分滿足，基礎(chǔ)技術(shù)逐漸成熟，核心場景需求明確，政策支持體系逐步完善。當(dāng)前全球已形成 “美國軍方牽引、歐盟民用優(yōu)先、中國舉國協(xié)同”的差異化政策模式，共同推動量子傳感技術(shù)從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化。量子傳感技術(shù)的軍民兩用屬性使其成為各國量子戰(zhàn)略的優(yōu)先領(lǐng)域，其發(fā)展高度依賴國家在技術(shù)突破、場景應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)等多個層面的政策支持。

（1）在技術(shù)層面，加強量子傳感技術(shù)基礎(chǔ)科研的經(jīng)費投入，提升量子傳感器核心技術(shù)指標(biāo)；加強國際合作，應(yīng)對技術(shù)封鎖；開展環(huán)境魯棒性與核心部件自主化研發(fā)，聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢單位，通過承接國家重大專項，深化協(xié)同攻關(guān)機制，突破工程化瓶頸。

（2）在場景層面，通過發(fā)布專項計劃、設(shè)立專項資金，明確量子傳感技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)與重點領(lǐng)域，為技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化提供穩(wěn)定預(yù)期與資金保障。優(yōu)先選擇高價值和不可替代場景，如量子導(dǎo)航、電磁對抗、生物醫(yī)療等，集中資源實現(xiàn)應(yīng)用落地。

（3）在產(chǎn)業(yè)層面，加大政府采購力度，培育初期市場；吸引民營企業(yè)參與，建設(shè)完整產(chǎn)業(yè)鏈；加快標(biāo)準(zhǔn)制定，規(guī)范市場秩序。同時由于量子傳感的部分技術(shù)具有軍事敏感性，可用于潛艇定位、導(dǎo)彈制導(dǎo)等，因此要對先進量子傳感技術(shù)實施嚴(yán)格出口管制。

（4）在人才層面，進一步整合研究機構(gòu)及相關(guān)資源，促進人才兼聘、設(shè)備共享、學(xué)生聯(lián)合培養(yǎng)、學(xué)科交叉融合，打造量子傳感器科技創(chuàng)新的國家隊；同時，在科研考核評估方面，針對產(chǎn)業(yè)應(yīng)用型技術(shù)研發(fā)團隊，打破“四唯”評價標(biāo)準(zhǔn)，建立“以產(chǎn)品、以應(yīng)用、以成果”為核心導(dǎo)向的考核激勵機制。

5.結(jié)束語

量子傳感技術(shù)已展現(xiàn)出重大應(yīng)用前景，在國防、民用等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用需求和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

我國擁有全球領(lǐng)先的量子傳感技術(shù)研究機構(gòu)，綜合研究實力強，也有中國航天科技集團有限公司、中國電子科技集團有限公司、中國電信集團有限公司等央企參與，具備從器件研發(fā)、實驗驗證到應(yīng)用場景等全流程優(yōu)勢。但是，由于量子傳感技術(shù)研發(fā)涉及基礎(chǔ)研究、應(yīng)用需求對接、技術(shù)開發(fā)以及特定場景應(yīng)用等多方合作，需要進一步強化多學(xué)科、多領(lǐng)域的協(xié)同。

在國家戰(zhàn)略布局的有力支撐與科研工作者的深耕鉆研下，我國量子傳感技術(shù)研究必將持續(xù)突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，產(chǎn)出更多引領(lǐng)性成果，在全球量子科技競爭中穩(wěn)步占據(jù)核心地位，為國家戰(zhàn)略安全與產(chǎn)業(yè)升級筑牢技術(shù)根基。

審核編輯 黃宇