郭源生 （九三学社中央科技委员会；中国传感器与物联网产业联盟）
摘 要：本文围绕量子传感器产品技术及行业应用展开全面论述。通过分析传统传感器产业在技术创新、应用拓展等方面面临的挑战，提出量子传感器技术创新与变革意义。深入介绍量子传感器基于量子隧穿效应、量子纠缠、量子霍尔效应等的技术基础与原理，以及其超高精度、高灵敏度、快速响应的优势。进一步详细说明原子磁力仪技术、超导量子干涉技术等关键核心技术和超导材料、半导体量子点材料等敏感材料，并探讨了量子传感器在医疗、通信、能源、智能交通、智能农业、金融安全等多行业的应用场景。对比分析了国内外在量子传感器领域的发展现状及国际经验。通过市场数据展示当前市场规模并预测未来增长趋势，阐述其面临的产业化挑战并展望未来发展方向。最后从政策扶持、科研合作、人才培养、标准建立、市场拓展、产业协同等方面提出推进我国量子传感器技术创新与产业化发展的建议。
关键词：量子传感器；传感技术；产业应用；技术创新
在信息化浪潮奔涌前行的背景下，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，传感器领域虽成就斐然，但面对新兴行业层出不穷的需求以及日益严苛的参数指标提升的要求，在技术创新、应用拓展等多个维度面临系列挑战。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。
一、国内外传感器产业发展现状
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， 持续取得突破性进展。历经数十年的技术工艺迭代，基于声、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在全球市场上已有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，可挖掘的潜力愈发有限。各大厂商在研发上缺乏突破性创新，难以构筑独特的竞争优势，致使整个行业发展动力不足。以常见的压力传感器为例，基于压阻效应的技术广泛普及，进一步提升了传感器精度，但却受限于材料物理特性，如基底材料的噪声水平、压阻系数的稳定性等，难以实现质的飞跃，研发成果的产出速率明显放缓。
随着应用市场拓展至各个行业领域，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。在自动驾驶领域，需要传感器能够在复杂环境中迅速、精准地感知周围物体的距离、速度等信息，但传统雷达传感器的分辨率和探测范围限制了其在该领域的深入发展。
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，较早布局量子传感器领域，在技术探索与应用拓展方面取得了诸多开创性成果，并在国际竞争中占据领先地位。
美国、欧洲和日本等发达国家和地区在量子领域的众多顶尖科研机构与企业踊跃参与，如加州理工学院、IBM 等。在原子钟、量子磁力仪等关键技术上成果丰硕，并已在军事、航天等高端领域应用。欧洲则侧重量子技术的联合研发，通过欧盟框架计划开展多个量子传感器研究项目，在量子通信中的应用方面优势突出。
近年来，我国在量子领域发展势头强劲，政府对该领域给予高度重视，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。与此同时，部分企业敏锐洞察市场趋势，积极布局量子传感器产业， 大力推动技术产业化应用。
尽管我国在该领域的进步显著，但与国际先进水平相比，仍存在一定差距。在基础研究层面，对部分量子物理现象的深度理解和理论创新能力有待提升，高端人才培养和引进力度需要加强，产业生态建设尚未完善，产业链上下游协同合作不够紧密，产业化进程相对滞后。
二、量子传感器的技术基础、原理优势及相关材料
量子技术的出现，特别是在传感器技术领域应用，为传感器技术创新注入了新的活力，开启了敏感机理创新和产业变革的新纪元。
（一）基础技术与原理
量子隧穿效应：微观世界中，粒子具备一定概率穿越高于自身能量势垒的特性，量子隧穿传感器便基于此原理。以扫描隧道显微镜（STM）来说，当探针与样品表面距离极近时，电子能够通过量子隧穿效应在探针和样品间形成隧穿电流，借此检测电流变化可精准获取样品表面原子级信息。
量子纠缠：这是一种存在于两个或多个量子系统间的非定域、强关联的奇特现象。基于量子纠缠的传感器能实现超高精度测量，如利用纠缠光子来探测引力波，相较于传统方法，探测灵敏度大幅提升。
量子霍尔效应：在强磁场和低温条件下，电子气体会呈现量子化的霍尔电阻，此特性用于制造高精度电阻标准和磁场传感器。量子霍尔传感器稳定性和精度极高，常用于精密测量和校准领域。
量子压缩态：通过产生量子压缩态，可降低量子噪声在特定测量方向上的影响，从而提高测量精度，在引力波探测等需要极高灵敏度的测量中具有重要应用潜力。
核磁共振：利用原子核的自旋特性以及核磁共振原理，可实现对样品微观结构和成分的高分辨率探测，在生物医学成像、材料分析等领域展现出独特优势。
（二）技术特征与优势
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。在重力测量领域，量子重力仪的精度相比传统重力仪提升几个数量级，为地质勘探、地球物理研究等对精度要求极高的场景提供有力支持。
高灵敏度：对微弱信号具备卓越检测能力，能够捕捉极其微小的物理变化。在生物医学检测中，量子传感器可检测到单个生物分子的存在与活动，为早期疾病诊断提供关键技术支撑。
快速响应：量子系统响应速度极快，使量子传感器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。
（三）成熟度较高的量子传感器技术
原子磁力仪技术：借助原子的超精细结构和塞曼效应，通过检测原子在磁场中的能级跃迁来测量磁场强度。原子磁力仪灵敏度和分辨率极高，可用于生物磁信号检测、地质勘探等领域。
超导量子干涉技术：基于超导约瑟夫森结，能检测极其微弱的磁场变化，是目前最为灵敏的磁传感器之一，在医学脑磁图、无损检测等方面应用广泛。
光量子技术：利用光量子的特性，如单光子探测、量子态调控等，能够实现对多种物理量的高精度测量，在通信、环境监测等领域具有广阔应用前景。
量子点技术：量子点作为纳米级半导体材料，具有独特的量子尺寸效应。通过将量子点与特定的受体分子结合，可构建出对生物分子、化学物质等具有高特异性和高灵敏度检测能力的传感器。例如，在生物荧光标记检测中，量子点传感器能够提供比传统荧光染料更稳定、更明亮的荧光信号，极大提升了检测的准确性和可靠性。
离子阱技术：该技术主要通过电场或磁场将单个或多个离子囚禁在特定空间区域，利用离子的量子态来感知外界物理量的变化。离子阱量子传感器在时间频率标准、超高精度电场和磁场测量等方面具有显著优势，其稳定性和精度可达到极高水平，为基础科学研究和高端应用提供了有力工具。
量子电容技术：利用量子电容的变化来检测物理量，量子电容与传统电容不同，其值与电子的量子特性相关。在纳米尺度的器件中，量子电容效应尤为显著。例如，在探测极微量的气体分子时，基于量子电容原理能够通过检测气体分子吸附导致的量子电容变化，实现高灵敏度的气体检测，在环境监测和食品安全检测等领域具有潜在应用价值。
（四）当前可用的敏感机理的材料
超导材料：如铌钛合金、钇钡铜氧等， 具备零电阻和完全抗磁性，是实现超导量子干涉器件的核心材料，其特殊的物理性质为量子传感器的高性能奠定了基础。
半导体量子点材料：量子点是由半导体材料制成的纳米级颗粒，具有独特的量子尺寸效应。在光电传感器中，半导体量子点材料可显著提高灵敏度和响应速度。
二维材料：如石墨烯、二硫化钼等二维材料，因其独特的电学、光学和力学性能， 在电极、敏感层等部件中展现出潜在应用价值，有望提升传感器的综合性能指标。
拓扑绝缘体材料：拓扑绝缘体具有特殊的电子能带结构，其表面存在无耗散的导电通道，体内却是绝缘的。这种独特性质使其在量子传感器中可用于构建低噪声、高灵敏度的探测元件，能够有效抵御外界干扰，提高稳定性和测量精度，在微弱信号检测领域具有重要应用潜力。
稀土掺杂材料：通过在一些基质材料中掺杂稀土元素，可改变材料的光学、磁学等性能。例如，稀土掺杂的荧光材料在量子荧光传感器中，能够利用稀土离子的特殊能级结构，实现对特定物质的高灵敏荧光检测， 在生物分析、环境监测等方面发挥作用，其荧光强度高、寿命长，有助于提升传感器的检测性能。
有机量子材料：部分有机分子具有独特的量子特性，如有机半导体分子，它们在分子尺度上能够展现出量子相干性等现象。这些有机量子材料可用于制备柔性量子传感器，具有成本低、柔韧性好等优点，有望在可穿戴设备、生物医学植入式感知等领域实现应用，为量子传感器的发展开辟新方向。
非晶材料：非晶材料是指内部原子或分子排列不具有长程有序性的固体材料，与传统的晶态材料不同，它没有明显的晶体结构和晶界。在量子传感器中，非晶材料展现出独特优势。例如，某些非晶合金具有优异的软磁性能，其磁导率高、矫顽力低，这使得基于非晶合金的磁传感器能够对微弱磁场变化产生更灵敏的响应，在生物磁探测、地质磁场监测等领域具有潜在应用价值。同时，非晶材料的无序结构使其具备较好的抗辐射性能，在一些对辐射环境较为敏感的量子传感器应用场景，如太空探测中，非晶材料能够保障传感器稳定运行，减少辐射对传感器性能的干扰。
三、量子传感器在行业领域的具体应用
量子传感器具有超高精度、高灵敏度和快速响应等独特优势，正逐步从实验室走向行业实际应用。目前，其在以下领域可形成成熟度较高的应用场景。
一是医疗领域。利用高灵敏度特性，量子传感器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， 大幅提高疾病治愈率。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，并绘制高精度脑磁图，助力神经系统疾病的诊断与研究。
二是通信领域。在量子通信中，量子传感器可用于检测单光子信号，保障量子密钥分发的安全性，为信息安全传输筑牢防线。此外，还可以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。
三是能源领域。在石油勘探过程中， 量子重力仪和磁力仪可用于高精度的质结构探测，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，延长电池寿命。
四是智能交通领域。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也可以安全行驶。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。
五是智能农业领域。运用多参数量子传感器能够快速、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，并采取相应措施进行干预。
六是金融安全领域。量子磁性传感器可对货币的物理特性进行高精度检测，快速准确地识别货币真伪，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。
四、市场发展现状及未来前景
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，量子传感器的市场规模预计将在2030 年将突破100 亿美元。
另一家市场研究机构Grand View Research 发布的报告指出，在细分市场中， 量子磁力仪因其在医疗、地质勘探、国防等领域的广泛应用，预计将占据量子传感器领域最大的市场份额。同时，量子重力仪和量子陀螺仪等细分市场也将呈现出强劲的增长态势，年复合增长率均超过18%。随着技术的不断进步和应用场景的持续拓展，量子传感器的种类将不断丰富，未来5 ～10 年内， 有望基于新原理、新材料开发出更多类型的量子传感器，以满足不同行业的多样化需求。
从量子传感器的发展现状可以看出，其在从实验室走向大规模商业化应用的道路上存在诸多挑战，在产业化进程中也面临一定制约。首先是多品种、小批量的产业特征和复杂的生产工艺，影响着传感器的稳定性和可靠性指标，而量子比特相干时间较短， 限制了其实际应用。同时研发和生产成本高昂，特殊材料、精密设备和复杂制备工艺阻碍了其大规模商业化应用。加之技术标准与行业规范缺失，导致产品质量参差不齐，不利于市场健康发展。
随着技术持续突破和完善，量子传感器有望在更多领域实现大规模应用，推动各行业智能化升级。未来，该技术与产品将朝着小型化、集成化、多功能化方向发展，与人工智能、大数据等新兴技术深度融合，为智能时代发展注入强大动力。
总之，量子技术在传感器领域的应用， 掀起了传感器产业的革命性变革，开启了全面发展的新纪元。尽管当下面临一定的挑战，但随着全球科研人员的不懈努力和技术的持续革新，量子传感器必将在未来科技发展中扮演愈发重要的角色。
五、推进技术创新与产业化发展的建议
为加快我国量子传感器技术研发与产业化应用，本文提出如下建议：
（一）强化政策引导与扶持
政府应制定专项政策，对量子技术相关研发企业在税收、土地使用等方面给予优惠，鼓励企业加大研发投入。设立专项资金，重点支持关键技术攻关项目，引导社会资本流向该领域，加速技术成果转化。同时，构建产业发展规划，明确阶段性目标与重点任务，为产业发展提供清晰指引。
（二）加大科研投入与合作
高校、科研机构与企业需共同发力，加大对基础敏感材料、产品工艺技术，以及行业应用研究的资金投入。鼓励产学研深度合作，搭建联合研发平台，整合各方资源， 攻克技术难题。例如，科研机构专注于前沿理论研究，高校负责人才培养与技术储备， 企业则将科研成果转化为实际产品，实现优势互补，加速技术创新进程。
（三）加强人才培养与引进
高校优化相关学科设置，增设量子传感器相关专业课程，培养具备量子物理、材料科学、电子工程等多学科知识的复合型人才。同时，出台人才引进政策，吸引海外高端人才投身量子传感器研发，提升我国人才队伍的整体实力，为技术创新提供智力支持。
（四）建立标准与规范体系
行业协会需联合科研机构、企业等相关主体，加快制定量子传感器技术标准与行业规范。明确产品性能指标、检测方法、质量控制等方面的标准，确保产品质量一致性与可靠性，促进市场健康有序发展，提升产品在国际市场的竞争力。
（五）拓展应用场景与市场
鼓励企业积极开展市场调研，深入挖掘各行业的潜在需求，拓展应用场景。加强与下游企业的合作，共同开发定制化解决方案，推动量子传感器在新兴领域的应用，如智能安防、量子计算辅助监测等，培育新的市场增长点，扩大市场规模。
（六）推动产业协同发展
构建完善的创新产业链，加强上中下游企业之间的协同合作。上游材料供应商与中游企业制造商紧密配合，保障原材料稳定供应与质量提升；中游制造商则应加强与下游应用企业深度沟通，根据市场需求优化产品设计与性能，形成产业链各环节相互促进、协同发展的良好局面，提升产业整体竞争力，为我国量子传感器产业的蓬勃发展贡献力量。
（作者系九三学社中央科技委员会副主任，中国传感器与物联网产业联盟常务副理事长）