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業的快速發展。 但在廣闊的傳感器科技領域，另一條前沿傳感科技賽道，正在加速商業化落地。 這就是量子傳感器，全球知名咨詢機構麥肯錫（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監測報告中指出，量子傳感“已進入關鍵階段，而現實世界的應用開發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”. ） 在量子技術的三大應用領域——量子計算、量子通信、量子精密測量（鏈子傳感）中，量子傳感是商業化之路相對最短的量子領域。 事實上，量子傳感技術的多種應用已經使用了幾十年。譬如，原子鐘就利用量子傳感技術來精確測量時間，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（GPS）中至關重要。磁共振成像技術是量子傳感技術的另一項常見應用，自20世紀70年代以來，它已被應用于醫學診斷和研究領域。 量子傳感技術的快速商業化落地，亦體現在資本市場，在中國，2025年12月，國儀量子遞交科創板IPO申請獲受理，有望沖擊“國產量子傳感器第一股”。國儀量子是中國傳感器獨角獸企業，此前估值已超70億元，其核心技術是以量子精密測量為代表的先進測量技術，為全球范圍內企業、政府、研究機構提供以增強型量子傳感器為代表的核心關鍵器件、用于分析測試的科學儀器裝備、賦能行業應用的核心技術解決方案等優質的產品和服務。相關信息參看估值超70億，安徽傳感器獨角獸科創板IPO！募資11.69億元 鑒于量子科技的快速發展，近期，由中國科學技術協會主管，科技導報社主辦、出版的學術期刊《前瞻科技》，推出量子科技發展戰略專刊系列。 本文，為其中關于量子傳感的綜述內容——《量子傳感技術研究現狀及發展趨勢》，作者魏小剛、楊仁福等為北京量子信息科學研究院研究員。 該論文是近期較全面的量子傳感產業發展綜述內容，文章介紹了世界各國在量子傳感技術方面的發展戰略及支持，概述了量子傳感技術的發展現狀，包括其所涵蓋的領域、主要的應用場景及取得的重要成果，梳理了存在的關鍵技術挑戰，并對我國的量子傳感技術發展提出了建議。

原標題：《量子傳感技術研究現狀及發展趨勢》

作者：魏小剛，楊仁福等

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作為量子信息科技領域的關鍵支柱，量子傳感與量子精密測量同量子計算、量子通信共同構建起未來科技發展的戰略基石。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，突破經典探測手段的瓶頸，實現測量準確度、靈敏度和穩定性等方面的數量級提升。

在國防安全領域，量子傳感技術憑借其超高精度與靈敏度，能夠實現對微弱信號的精準捕捉與解析，在反潛作戰和導彈控制等方面可以增強軍隊的作戰能力與戰略威懾力。在民用領域，量子傳感技術同樣展現出巨大的應用潛力與經濟價值。例如，可以為智能電網的建設與優化提供有力支撐；提升5G網絡的覆蓋范圍與通信質量；助力疾病的早期診斷與精準治療，為生命科學研究開辟了新的道路。量子傳感技術的發展還將對無人駕駛、萬物互聯、腦機接口等新興行業產生強大的牽引作用?；A科學領域，如暗物質、暗能量的研究更是依賴突破傳統極限的量子傳感技術。

量子傳感技術不僅是高精尖技術，更能推動傳統產業升級，形成萬億級量子經濟市場。大國競爭的核心之一是量子產業鏈的控制權，量子傳感的核心技術具有極高的技術壁壘，目前僅有少數國家掌握。量子傳感技術的優勢直接關系國家戰略安全、科技前沿話語權、產業升級主動權。這些領域的領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、日本等國家和地區博弈的核心領域。文章通過梳理國內外量子傳感技術領域的戰略布局，系統闡述該技術的研究現狀，深入剖析關鍵技術挑戰，并從政策層面提出發展建議，以期為我國量子傳感技術的發展提供支撐，助力提升我國在該領域的全球戰略競爭力。

1.國內外量子傳感技術戰略布局

憑借原理上的超高精度優勢，以及在醫療、導航等領域的明確應用需求，全球量子精密測量與傳感產業市場收入逐年增長。根據英國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年的復合年增長率（Compound Annual Growth Rate, CAGR）預計可達11.4%，到2045年市場規模將增至22億美元。目前國際上多個科技強國發布了量子傳感技術專項計劃和國家重點發展方向，把量子傳感器列為核心發展領域，將重心放在戰略應用和成果轉化，支持科研機構聯合研發或成立新型機構，推進重點方向研發與應用。

1.1 中國

我國高度重視量子信息技術發展，已將量子傳感與測量技術納入國家發展戰略。自2016年起，我國布局了多個量子傳感與測量領域的重點項目，如科技部“地球觀測與導航”“智能傳感器”等重點研發計劃等。2022年1月，國務院印發《計量發展規劃（2021—2035）》，實施“量子度量衡”計劃，重點研究基于量子效應和物理常數的量子計量技術及計量基準、標準裝置小型化技術，突破量子傳感和芯片級計量標準技術，形成核心器件研制能力?？萍疾靠萍紕撔?030—“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域之一。國家自然科學基金委員會“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5 000萬元的資金規模支持相關研究。

近年來國內多省市紛紛出臺政策措施，成立新機構或專業研究部門，支持量子傳感技術發展。國內量子技術研發機構紛紛設置量子傳感或量子精密測量部門。同時傳統綜合性大學或計量專業研究機構等也在積極開展量子傳感技術相關研究，如清華大學物理系極端條件下的精密測量、北京大學量子電子學研究所原子鐘和腦成像技術、北京航空航天大學大科學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，美國總統簽署《國家量子計劃法案》（H.R.6227），設立國家量子計劃協調辦公室（National Quantum Coordination Office, NQCO）等管理協調機構，正式啟動為期10年的國家量子計劃（National Quantum Initiative, NQI）；2022年4月，美國發布名為《將量子傳感器付諸實踐》的量子傳感器國家戰略，將量子傳感器列為NQI的近期核心目標，并統籌協調學術、產業界與政府各機構間的研發合作；2023年11月，《國家量子倡議重新授權法案》（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2025—2029財年為美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）、國家科學基金會（National Science Foundation, NSF）和航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）的量子研發撥款從18億美元增至27億美元。

2023年1月，加拿大創新、科學和經濟發展部宣布啟動《國家量子戰略》（2021年6月發布）的實施階段，該舉措旨在鞏固其在量子研究領域的全球領先地位，通過推動量子技術研發、培育量子科技企業、培養專業人才，最終塑造加拿大量子技術的長期發展優勢。

1.3 歐盟和英國

2022年，歐盟量子旗艦計劃（Quantum Flagship）發布初步戰略研究和行業議程（Strategic Research and Industry Agenda, SRIA），系統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領域的研發路線及工業落地規劃。2024年，歐盟推出《2030年戰略研究和產業議程：量子技術十年目標與路線圖》，通過整合歐盟量子旗艦計劃資源，減少對外國開發的關鍵組件和硬件的依賴，將歐洲定位為世界上第一個“量子谷”，以使量子傳感技術領域在2030年前實現商業化應用。

2021年，德國發布《國家量子系統議程2030》，布局10年內包括量子雷達、量子磁力儀、量子成像等量子傳感技術領域的研究計劃。2023年4月，德國通過了《量子技術行動計劃》，該計劃由聯邦教研部提出，旨在推動量子技術的研發和應用，以確保德國在這一關鍵技術領域的技術主權和國際競爭力。計劃在2023—2026年為量子技術研發提供約30億歐元的資金支持，這一計劃的3項優先事項之一就是量子傳感技術。

2021年，法國啟動《量子技術國家戰略》，計劃圍繞量子通信、量子計算、量子傳感等戰略目標投入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。

2013年，英國啟動全世界第一個系統性的發展量子技術的國家戰略——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中心、量子成像技術中心建設，引領眾多大學參與量子傳感技術研究。2023年3月，英國科學、技術與創新部發布《國家量子戰略》，明確了英國在未來10年成為世界領先的量子經濟體的愿望，預計到2030年量子傳感技術將產生至少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，日本先后發布《量子技術創新戰略》《量子未來社會愿景》，分別聚焦量子技術研發和量子技術應用和產業化。2023年出臺《量子未來產業創造戰略》，提出需要重點優先推進的舉措。這些計劃均將量子傳感與測量作為核心領域。

2023年，澳大利亞政府發布了該國首個《國家量子戰略》。目標為培育工業、企業、大學、各州地區和國際合作伙伴間的合作優勢，建立一個繁榮、可靠的量子生態系統，將澳大利亞變成全球量子技術領導者，在未來建立更強大的產業并創造就業機會，通過新的項目激勵量子傳感技術應用。

2.量子傳感技術發展現狀及趨勢

量子傳感技術按照其測量的物理量和應用場景分類，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，以及相關的前沿科學技術。

2.1 時間測量技術

高精度時間是國家的戰略資源，原子鐘是精確時間的源頭，曾有14項諾貝爾物理學獎成果與原子鐘技術密切相關。原子鐘以原子能級間量子躍遷的頻率作為標準，可以實現精確的時間測量或頻率校準，已廣泛應用于守時、授時、用時系統，以及前沿科學研究等領域。按照原子躍遷能級譜線對應的頻段區分，可分為兩類：微波原子鐘（躍遷頻率在微波段）和光學原子鐘（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家的關注，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。發展最快的是美國Microchip公司，其SA.45s等系列產品已批量生產，體積為16 cm3，功耗為125 mW，頻率穩定度為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、瑞士納沙泰爾大學和洛桑聯邦理工學院、德國烏爾姆大學正在開展相關研制。我國北京量子信息科學研究院、中國科學院精密測量科學與技術創新研究院（簡稱精密測量院）、成都天奧電子等機構已實現微型原子鐘原理樣機的研制及部分應用。北京量子信息科學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，在體積和守時指標上處于國內外領先水平。

圖1北京量子信息科學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、德國聯邦物理技術研究院、法國巴黎天文臺等國際計量機構皆在開展光鐘的研制。我國的中國計量科學研究院、國家授時中心、精密測量院、華東師范大學、國防科技大學、華中科技大學、北京大學等研制的光鐘，頻率準確度達到10-17量級。2024年初，合肥國家實驗室/中國科學技術大學成功研制了萬秒穩定度和不確定度均優于5×10-18的鍶（Sr）原子光晶格鐘。2024年，美國實驗天體物理聯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，光鐘的發展方向為繼續提升穩定度和集成化，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與激發態之間的躍遷，以該躍遷頻率作為超穩定頻率標準。與傳統原子鐘不同，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境的干擾更小，因此計時穩定性更優。1996年，俄羅斯Tkalya最早提出將“核激發”作為計時用高穩定光源的想法，為核鐘的研究奠定了理論基礎。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，對應的輻射頻率為2 020.407 THz，解決了核鐘發展的關鍵問題。

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

2024年12月，美國實驗天體物理聯合研究所與NIST等研究機構成功開發出四氟化釷（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，核鐘的關鍵技術正被逐步突破，未來可期。我國對核鐘的研究整體上處于跟蹤研究狀態，與國際最高水平存在一定差距。

2.2 磁場傳感技術

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，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系，實現磁場的傳感和測量。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。其中光泵磁力儀環境適應性強，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路徑，其產業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業化方面處于領先地位，有多款成熟產品。美國Quspin公司和Twinleaf公司已推出小型原子磁力儀商業化產品，在地磁下可實現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品，拓展了應用范圍。德國斯圖加特大學、烏爾姆大學、美國哈佛大學也成立了金剛石NV色心磁力儀產品研發公司，積極推進產品研發。

在國內，北京大學、北京航空航天大學、北京量子信息科學研究院、中國人民解放軍軍事科學院、中國科學技術大學、復旦大學、中國科學院物理研究所等科研機構對原子磁力儀均有研究。復旦大學在室溫銣原子氣室中研制了7 fT/√Hz靈敏度的原子磁力儀。北京航空航天大學在大裝置上實現了零場磁強計優于0.1 fT/√Hz的靈敏度。北京大學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的人體腦磁信號。2022年，中國科學院“力箭一號”火箭在酒泉衛星發射中心成功發射，將空間新技術試驗衛星（Space Advanced Technology Demonstration Satellite, SATech）成功送入預定軌道，搭載的國產相干布局囚禁（Coherent Population Trapping, CPT）原子磁力儀首次進入宇宙空間并實現了全球磁場測量。北京量子信息科學研究院在實驗室實現了地磁噪聲環境下1 pT/√Hz的磁場測量靈敏度，成功開展了原子磁力儀在電網和管網的測試應用。

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

2.3 電場傳感技術

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

國際上以美國陸軍研究實驗室、NIST、馬里蘭大學、密歇根大學、德國斯圖加特大學等為代表。美國陸軍研究實驗室實現了-145 dBm/Hz的靈敏度、DC~20 GHz的探測范圍，并完成了藍牙、Wi-Fi等頻點監測實驗，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研究院、山西大學、華南師范大學、中國計量科學研究院、航天科工集團等在電場傳感技術領域具備領先研發優勢。其中，山西大學在2020年實現了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了2.6 nV/（cm√Hz）的測量靈敏度。北京量子信息科學研究院實現了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高度集成化（標準4 U機箱），并作為2024年中關村論壇重大成果發布（圖2）。

圖2北京量子信息科學研究院的集成化里德堡電磁探測系統

Fig. 2Integrated Rydberg electromagnetic detection system developed by BAQIS

2.4 慣性傳感技術

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

國際上，美國和歐盟的研究處于領先地位。NMR陀螺儀研發主要以美國普林斯頓大學、加州大學等為代表，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、耶魯大學、桑迪亞國家實驗室、法國巴黎天文臺、德國漢諾威大學等科研機構為代表，斯坦福大學研制的原子干涉陀螺靈敏度3.0×10-6（°）/√h，零偏穩定性約為6.0×10-5（°）/h，保持當前最好的原子干涉陀螺儀性能指標。

國內，北京航空航天大學、北京自動化控制設備研究所、北京航天控制儀器研究所、中國科學技術大學及國防科技大學等單位正開展NMR陀螺儀原理樣機研制，尚無成熟產品。清華大學、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，距離應用仍有一定差距。

2.5 重力傳感技術

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波干涉，通過分析物質波干涉結果，實現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重力儀高3個數量級。目前已處于商業化應用探索階段，是地球物理、資源勘探、空間科學、海洋探測、導航定位等領域必不可少的重要觀測手段。

國際上，歐美等發達國家率先推進原子重力儀技術從實驗室研究步入工程應用，英國伯明翰大學研制了在實驗室外應用的原子重力梯度儀，統計不確定度為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、導航、城市規劃和防災等領域應用進行了演示驗證（圖3）；2024年，德國漢諾威萊布尼茲大學報道了糾纏增強的原子重力儀，其測量靈敏度已接近標準量子極限。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化，基本能夠滿足用戶在實驗室靜態環境下的絕對測量需求。在2022年“五眼環太平洋”演習期間，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/重力梯度儀應用于太空環境中，法國計劃為艦艇研制冷原子重力儀以提升水下環境探測能力。國內，華中科技大學、精密測量院、中國計量科學研究院、國防科技大學、軍事科學院等單位正開展量子重力儀野外應用研究并逐步推進產業化，華中科技大學已于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

量子生物傳感技術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量變化進行測量，基于這些測量來表征生物過程或進行醫療診斷的量子傳感技術應用。與傳統傳感技術相比，量子生物傳感器在探測靈敏度和空間分辨率指標上都有數量級提升，根據工作場景和測量值不同，評價指標各有側重。從應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研究所。美國、德國均希望通過重點研究支持在該領域搶得先機，以利用量子優勢驅動生物學、醫學、藥學和化學的快速發展。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備。英國諾丁漢大學同英國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，用于功能性神經成像研究。

金剛石NV色心為科學家從納米尺度上觀測生物體系中的生物物理和生物化學過程提供了可能，也為生物學、化學和藥學等學科研究提供了嶄新的量子視角。英國倫敦大學學院利用化學修飾的納米金剛石NV色心自旋量子平臺，實現了病毒核糖核酸 （Ribonucleic Acid, RNA）單次復制10 min快檢，靈敏度超過世界健康組織標準的50倍。金剛石NV色心傳感器能夠測量細胞內的溫度、酸堿度、力（壓力）、神經電波及腦電磁信號，能夠實現在各種蛋白質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研究。理論和實驗均已證明，經靶向材料化學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鮮明的癌細胞造影及藥物傳遞造影。

國內，中國科學技術大學及其初創公司國儀量子，利用金剛石NV色心磁顯微鏡實現了腫瘤生物標志物的磁成像和量化。香港中文大學開展了多種基于金剛石NV色心系統的研究，實現細胞內溫度、壓力成像技術；北京航空航天大學、北京大學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研制。

2.7 量子傳感前沿技術

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典態，可實現突破經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生的引力波信號，這是引力波探測領域的突破性貢獻，相關研究者獲得了2017年諾貝爾物理學獎。美國麻省理工學院的鐿（Yb）原子光鐘實現了多原子糾纏和自旋壓縮，在光學腔中冷卻并俘獲了350個Yb原子，獲得了低于標準量子極限4.4 dB的光鐘信號。

金剛石NV色心具有極強的環境適應性，在近絕對零度及百GPa量級的極高壓狀況下，依然可以實現物理場的傳感。近年來，NV色心這項優勢在超導材料研究中得到了充分的應用。2024年美國加利福尼亞大學的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，基于邁斯納效應研究超導態的相變，為超導材料的表征提供了新的判斷方法。

在推進面向突破經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、北京大學、中國科學技術大學、山西大學、復旦大學、北京量子信息科學研究院、華中科技大學、中國科學院相關研究所都有相關前沿研究成果。2023年，中國科學技術大學、北京大學、浙江大學等多單位組成的研究團隊，搭建了由分布于相距約1 700 km的兩個屏蔽室內的15個SERF原子磁力儀構成的長基線網絡，用于探測暗光子暗物質（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質量范圍對暗光子動力學混合系數進行限制，這一成果超越了當前的地面實驗水平。

圖4基于磁力儀長基線網絡探測暗光子暗物質

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

3.關鍵技術挑戰

量子傳感的技術核心是通過量子系統實現高精度測量，但其落地需突破從基礎理論可行到實際環境可用的轉化瓶頸，既要維持量子態的高靈敏度，又要應對復雜環境的干擾，同時需要滿足小型化、低功耗、低成本的產業需求。因此，當前技術發展的關鍵矛盾已從能否實現高精度轉向如何在實用場景中穩定實現高精度，量子傳感技術目前面臨的關鍵技術挑戰主要有5個方面。

1）量子操控與讀出技術

量子操控與讀出是量子傳感技術的基石，需實現對量子系統（原子、光子、NV色心等）的精準初始化、態調控與結果讀取，其成熟度直接決定傳感器的工作性能。目前該技術已形成多路線并行的成熟體系，不同技術路線對應不同應用場景，且均具備工業化適配潛力。

2）環境噪聲抑制與隔離

量子態對環境噪聲，如熱噪聲、振動、電磁干擾、控制噪聲等，極度敏感，環境擾動會導致測量精度下降。同時由于量子傳感技術的高靈敏度，目標物理量與環境物理量都會被測量到。因此，噪聲抑制技術是量子傳感技術從實驗室走向實際應用的關鍵，通過被動屏蔽大部分環境噪聲，主動補償殘余的動態干擾，其適配性直接決定應用場景的廣度。

3）小型化、集成化與便攜性

量子傳感技術的早期設備多依賴實驗室設施，如激光系統、真空腔和高性能檢測設備等，體積大、成本高，僅能用于科研領域。要實現廣泛應用，必須將系統芯片化和便攜化，降低體積、功耗和成本。這是當前全球研發的熱點，也是企業競爭的核心賽道。

4）校準與標準化

量子傳感技術的精準度需通過統一的校準方法與標準驗證，才能確保不同設備測量結果可比較。例如，兩家公司的量子磁力儀若校準標準不同，可能導致對同一磁場的測量結果差異超過10%，嚴重影響行業信任。因此，校準與標準化是量子傳感技術產業化的前提條件，當前全球正加速推進相關工作。

5）人工智能賦能的精密測量

隨著人工智能技術的飛速發展，人工智能結合量子傳感技術的優勢已經得到驗證。進一步的研究需要通過人工智能算法實現智能噪聲建模與補償，在振動、磁場漂移、溫度波動等復雜環境中實現信噪比提升；在有限樣本下進行小樣本學習或在線學習，提升測量精準度與魯棒性；通過強化學習或貝葉斯優化實現自適應實驗控制與反饋優化，增強傳感器在動態環境中的可用性。

4.政策建議

量子傳感技術作為量子技術中最接近產業化的領域，正處于從原型驗證向規模化應用的關鍵過渡期，其應用條件已部分滿足，基礎技術逐漸成熟，核心場景需求明確，政策支持體系逐步完善。當前全球已形成 “美國軍方牽引、歐盟民用優先、中國舉國協同”的差異化政策模式，共同推動量子傳感技術從實驗室走向產業化。量子傳感技術的軍民兩用屬性使其成為各國量子戰略的優先領域，其發展高度依賴國家在技術突破、場景應用、產業發展和人才培養等多個層面的政策支持。

（1）在技術層面，加強量子傳感技術基礎科研的經費投入，提升量子傳感器核心技術指標；加強國際合作，應對技術封鎖；開展環境魯棒性與核心部件自主化研發，聯合國內優勢單位，通過承接國家重大專項，深化協同攻關機制，突破工程化瓶頸。

（2）在場景層面，通過發布專項計劃、設立專項資金，明確量子傳感技術的發展目標與重點領域，為技術研發與產業化提供穩定預期與資金保障。優先選擇高價值和不可替代場景，如量子導航、電磁對抗、生物醫療等，集中資源實現應用落地。

（3）在產業層面，加大政府采購力度，培育初期市場；吸引民營企業參與，建設完整產業鏈；加快標準制定，規范市場秩序。同時由于量子傳感的部分技術具有軍事敏感性，可用于潛艇定位、導彈制導等，因此要對先進量子傳感技術實施嚴格出口管制。

（4）在人才層面，進一步整合研究機構及相關資源，促進人才兼聘、設備共享、學生聯合培養、學科交叉融合，打造量子傳感器科技創新的國家隊；同時，在科研考核評估方面，針對產業應用型技術研發團隊，打破“四唯”評價標準，建立“以產品、以應用、以成果”為核心導向的考核激勵機制。

5.結束語

量子傳感技術已展現出重大應用前景，在國防、民用等領域均具有廣泛的應用需求和巨大的發展潛力。

我國擁有全球領先的量子傳感技術研究機構，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、實驗驗證到應用場景等全流程優勢。但是，由于量子傳感技術研發涉及基礎研究、應用需求對接、技術開發以及特定場景應用等多方合作，需要進一步強化多學科、多領域的協同。

在國家戰略布局的有力支撐與科研工作者的深耕鉆研下，我國量子傳感技術研究必將持續突破關鍵技術瓶頸，產出更多引領性成果，在全球量子科技競爭中穩步占據核心地位，為國家戰略安全與產業升級筑牢技術根基。

審核編輯 黃宇