宇宙中分布最广泛的物质始终行踪难觅：科学家从未亲眼观测到它，人类现有的各类精密探测仪器也无从捕捉其踪迹。这种充满神秘感的物质便是暗物质，维系着各大星系的结构稳定，构筑起宇宙大尺度网状结构。尽管暗物质扮演着关键角色，但其极难被探测的特性，使其至今仍仅停留在理论假说阶段。然而，这一切即将因一项前沿技术而改变——人类或将依靠这项技术首次揭开这种最神秘亚原子粒子的面纱。

这项颠覆性的科学创新便是量子传感，一种拥有前所未有的强大探测功能和测量精度的技术。凭借该技术在暗物质探测上的突破性进展[1]，科研人员将采用光力传感器（可理解为微型薄膜，受到极微弱作用力就会产生振动）探测暗物质的相互作用，并最终依靠量子光证实暗物质的存在。

借助上述探测手段，量子传感有望破解宇宙中最深奥的未解谜题之一。不过这项技术的应用并非均局限于理论研究的边缘领域。事实上，量子传感技术还将全方位改善日常生活的诸多领域，涵盖交通出行、医疗、安全、科研、商业与工业。这项技术作为一种工具，与人工智能相结合，有望对释放人类潜能产生深远影响，包括在以下关键应用场景中：

  • 更灵敏地探测构造运动和重力变化，从而针对海啸、地震和火山喷发等自然灾害提前预警；
  • 更深入地了解导致气候变化的过程；
  • 对地下环境进行高精度测绘：矿山、运输隧道、地下管网及各类市政公用设施；
  • 助力自动驾驶载具在公路、海上和空中更安全、更高效地行驶，即使在交通密集的情况下也可稳定运行；
  • 超精准定位技术，性能远超现有全球卫星定位系统 (GPS) 设备；
  • 为医生提供高度精细的医学影像，辅助诊断和治疗各类疾病。

鉴于这种潜力近在咫尺，量子传感技术的增长前景十分广阔。随着该技术逐步取代传统传感方案，行业市场规模预计在 2030 年最高可达 10 亿美元，年均复合增长率在 10% 至 15% 之间；到 2040 年市场规模或将攀升至 60 亿美元。[2]

那么，量子传感究竟是什么？一项研究极微观尺度的技术，为何能对现实世界产生如此巨大的影响？

量子传感的工作原理是什么？

量子传感是新兴的量子技术体系中的一个分支，量子传感利用量子物理独有的各类特（微弱的磁场、重力变化、时间与运动的细微偏移），来测量世界中发生的细微变化。这些技术相结合，将精密的量子系统转化为超高精度的测量设备。

任何量子传感器的核心都是一套可调控量子系统——可能是单个原子、离子或光子，它们遵循物理定律运动。它们既可以处于精确界定的能态中，也可以同时处于多个能态的叠加态中。为了获得有意义的读数，工程师首先将系统制备至已知量子态，然后让其与待测物理量（比如磁场或重力梯度）相互作用，最后分析量子态的变化情况。

量子技术优于传统方案，原因在于量子态对环境的反应极其灵敏，即使是最微小的扰动也会留下可测量的特征信号。

多项量子特性进一步增强了这种灵敏度。其一是“量子相干”，即粒子能在多种量子态间维持稳定关联，留存足够时长，以累积关于周围环境的信息。其二是“量子纠缠”，即多个粒子拥有关联量子态，测量其中一个粒子即可获知其余粒子的状态信息。将这两种效应用于传感器，能够降低测量噪声并增强信号，使测量精度远超传统经典设备。

量子传感技术目前发展到了什么阶段？

部分量子传感器已在日常技术产品中应用。原子钟就是一例：利用原子能级极佳的稳定性实现计时，是 GPS 系统的计时核心。其余各类量子传感器则处于不同研发阶段。新一代传感设备采用超冷原子、超导电路，或名为氮空位中心的金刚石晶格缺陷，来探测更微弱的信号。这类传感器正逐步实现以往只存在于科幻小说中的技术能力：无需卫星即可运行的导航系统、超高灵敏度医学成像设备，以及仅依靠测量地球重力的微小变化即可绘地下构造的仪器。

一些专门的研究中心接连涌现，致力于探索上述部分概念，例如麻省理工学院林肯实验室的先进量子技术组。该实验室的工程师不断突破量子领域技术边界，研发多款潜力出众的设备：基于离子的计算测试平台、精密时钟、磁强计以及用于微电子故障检测的量子显微镜。

先进量子技术研究组已研发出利用超灵敏纳米级探测器的全新测量方案，其可探测的频率范围远超现有技术。2026 年 3 月，该研究组宣布成功利用真空内低温电子技术成功捕获离子，有效降低热噪声、提升探测灵敏度，这是构建可扩展量子计算系统的重要一步。

量子传感技术的突破将助力多个领域实现性能飞跃：飞机制造、气候学、医疗保健、网络安全、地质与工程、保险、矿产开采、环境管理、航运、太空探索、电网协调等。

若非业内从业者，多数人很难理解量子传感的实际应用、发展潜力及技术参数。选取部分领域深入研究其应用颇具参考价值，例如灾害探测和地下勘测。

守护人类未来的新方案？

2004 年 12 月的印度洋海啸造成近 25 万人遇难，无数民众受伤、流离失所、陷入贫困。如果当时已有成熟预警系统，能预警诱发海啸的地震，让民众有时间撤离至高地避险，结局会怎样？

也许将来，更准确的自然灾害预测将成为常态，如果真是这样，我们或许要感谢量子传感技术。

英国近期通过国际科学合作基金，投入近 100 万美元与新西兰开展合作，依托位于伦敦的英国国家物理实验室 (NPL) 研发量子系统技术。[3]该项目核心是在现有海底光纤通信电缆上部署量子光学干涉技术，以识别地震和异常洋流的早期迹象。

在英国其他地区，伯明翰大学传感器与计时量子技术中心的研究人员正在开发一种传感器，用于探测地震发生时因地壳质量突然位移而引起的重力场细微变化。这款性能先进的新一代传感器依托冷原子的量子特性制成：原子在激光与磁场作用下被冷却至趋向绝对零度，不再做常规热运动，转而呈现类波特性。[4]

局部重力的特征性偏移也有助于提前预警火山喷发，由于传统地震传感器的局限性，火山喷发仍在持续夺走许多人的生命。2018 年 6 月，危地马拉富埃戈火山喷发，火山碎屑流吞噬周边村镇，造成超 150 人遇难，另有数百人报告失踪。次年，新西兰怀特岛火山突发潜水蒸气喷发，致 22 人死亡，25 人受伤。两年后，印度尼西亚塞梅鲁火山爆发，大量火山灰倾泻、火山泥流肆虐，造成至少 50 人遇难。

位于加那利群岛的特内里费岛，目前正成为一项新型量子传感技术的试验场地，未来该技术有望在这类毁灭性火山灾害来临前提前发出预警。[5]特内里费岛是欧洲最高火山泰德峰的所在地，过去十年间，该火山显示出日益增多的不稳定迹象。目前，这里安装了三台由法国科技公司 Exail 研发的绝对量子重力仪 (AQG)。这些 AQG 的工作原理是：利用激光冷却并捕获一团铷原子云，随后让其经历一套物质波干涉测量序列，以测量其在重力作用下自由下落时的加速度。该分析能够探测到由地下岩浆和气体移动引发的局部重力场变化。目前，Exail 已有超 25 台 AQG 投入使用，分布于欧洲、美国、日本、中国及格陵兰多地[6]。

量子传感器的作用不止于预判即将发生的灾害。未来我们或将越来越多地借助这类设备，研判另一项足以影响人类生存的威胁所呈现的长期变化特征——气候变化。

欧盟斥资 1700 万欧元推进 CARIOQA-PMP 项目，该项目研发的星载量子加速度计[7]将助力轨道传感器生成高分辨率的地球重力分布图，并为科研人员提供精度空前的环境数据。[8]

在未来的太空任务中，这些量子传感器将被送入太空，用于精准追踪地球大气层和生态系统的细微变化，例如冰川消融和海平面上升。通过预测未来的气候演变趋势，这些设备能够为减缓全球变暖举措提供指引。该项目由欧盟委员会与“量子旗舰”计划合作开展，旨在解决长期以来太空重力探测所面临的难题。在测量不同地区重力细微变化时，传统重力仪难以捕获来自地球的微弱重力信号。新型量子加速度计可结合卫星轨道与飞行速度进行计算，从而增强最终信号的强度。研发团队希望“革新卫星载运地球科学”，并计划于 2030 年前实现轨道发射。[9]

量子传感器能否造福人类社会？

地下世界向来深藏地底，人类无法直接观测。Arthur C. Clarke 有句名言：“任何足够先进的技术，都与魔法无异。”[10] 这似乎印证了量子传感的潜力——拥有一种近乎魔法的能力：“看透”地下。

量子传感技术将使工程师能够探测地下空洞，克服传统探地雷达的技术局限，避免成本高昂且具有风险的侵入性钻探作业。借助量子重力仪，我们能够以更高空间分辨率绘制更加精细的地下地层分布图。

在众多应用中，地下量子传感技术将使勘测人员能够监测老化的基础设施，并保障工程安全。例如，交通和公用设施隧道可能会出现裂缝和内部应力点，这些缺陷会随着时间的推移而逐渐加剧。目前这类缺陷既难以便捷检测，检测成本也居高不下，往往会酿成灾难性的坍塌事故。2023 年 11 月，印度北部一条双车道公路隧道发生局部坍塌，41 名工人被困地下，随后全部获救。此次事故诱因是由变质粉砂岩与千枚岩构成的未预见软弱岩体。[11]2025 年 7 月，美国洛杉矶威尔明顿市 Clearwater 污水隧道在升级改造过程中发生段体垮塌，导致 31 名工人亟待救援。此次坍塌源于突发地静压力挤压隧体，致使隧道向内形变。[12]量子重力仪还能探测拟建道路和建筑物下方的空洞，帮助规划人员避开天然塌陷区，并在项目获批前确保地下地质的适宜性。

各类量子传感器有助于勘探深埋地下的宝贵资源，包括矿产、油气乃至地下水资源。原子蒸气磁强计、梯度仪等中性原子传感设备能够测量极微弱的矢量磁场与细微重力变化，从而提升地下测绘精度。这些设备能够对地下结构进行精细的三维测绘，从而提高钻探效率、降低勘探成本，并减少对环境的影响。基于钻石的量子磁力计可探测锂、铜、钴、铂、镍及各类稀土元素等有价值矿物的存在，其中许多矿物对于推动绿色能源转型至关重要。例如，2025 年，位于加拿大魁北克省北部的 Glencore’s Raglan 镍矿使用量子重力仪绘制矿床三维图，其测绘精度被认为比传统的磁场勘探图高出九倍。[13]

超导量子干涉仪 (SQUID) 是量子传感的另一应用，澳大利亚联邦科学与工业研究组织 (CSIRO) 已将其搭载于便携式勘探工具并投入使用。SQUID 利用量子传感器探测强度仅为地球磁场一亿分之一的微弱磁场，仅在澳大利亚境内，凭借该设备探明的矿藏价值便超 40 亿美元。[14]

量子传感在公共安全与经济效益层面的价值已得到充分验证，其技术吸引力不言而喻。那么，全球哪些国家与机构正领跑量子传感产业？想要助推这一蓬勃发展的行业，还需要哪些支持？

量子技术领域的投资热度是否在持续攀升？

投资和并购活动表明，先进量子传感行业正呈现出健康、成熟的市场态势，参与者拥有多元背景：既有科技巨头、国防承包商，也有初创企业。在量子传感器领域押下重注的老牌巨头包括 SandboxAQ（谷歌母公司 Alphabet 旗下部门）、Honeywell、Lockheed Martin 和 IonQ。

除了这些知名大公司之外，许多专精型初创企业也在该领域不断打破现有行业格局。在美国，总部位于加利福尼亚州的 AOSense 公司正在研制用于导航和重力测量的原子干涉仪，广泛应用于地球物理勘探；总部位于科罗拉多州的 Infleqtion 公司正在着力开发用于磁强计和陀螺仪的冷原子技术，其设备已进入政府机构实测阶段。在亚洲，新加坡的 Atomionics 公司正在利用原子干涉技术研制便携式量子重力仪，用于探测地下资源。在澳大利亚，Q-CTRL 公司正积极开发软件以提升量子传感器的稳定性，特别是用于导航领域；而在英国，Aquark Technologies 公司正在开发用于紧凑型量子传感器的激光冷却原子技术，主要面向国防工业。

各国公共部门同样积极布局量子产业。美国《2025 年能源部量子领导法案》敲定，从当下至本十年末，将为量子领域拨付 25 亿美元专项科研经费。[15]同样，英国国家量子技术计划[16]投入资金，一方面研发用于基础设施监测的重力仪，另一方面攻关面向医疗领域的便携式磁力仪。与此同时，中国依托其国家实验室网络，正在开展用于基础研究和军事应用的量子传感项目。

鉴于该行业仍面临诸多挑战，这项投资至关重要。与任何新技术一样，量子传感器造价高昂。激光器和高精度光学元件价格高昂，而当前行业规模仍然过小，规模经济尚不足以在材料或制造环节带来降本。

支撑量子传感的技术仍易因外部电磁干扰、机械振动和温度变化而受到干扰。不过人工智能带来了破局希望：依托人工智能开发的误差抑制程序有望滤除环境扰动，并提升量子相干性。

想要让量子传感器真正实现规模化普及，关键在于设备小型化。目前多数传感系统仍需搭配大型真空装置与笨重的磁屏蔽结构。行业在设备微型紧凑上已取得进展，部分磁力仪体积现已接近便携工具箱。如果这套小型化方案能推广应用到其他类型设备上，量子传感技术向大众市场普及又将迈出重要一步。

此外，量子传感器需要与现有系统和硬件连接，这就要求在软件工程和标准化方面投入大量精力。此外，为了使该技术能够跨越地域并在各行业得到广泛应用，还必须制定统一的基准标准和监管规则。

如果我们能克服这些障碍，我相信量子传感技术将重塑各行各业，并帮助我们过上更安全的生活。该技术既能保护我们的关键基础设施，勘探重要自然资源，助力自动驾驶载具产业革新，甚至还能监测气候变化对我们宝贵生态系统的长期影响。

量子传感就像人工智能等颠覆性技术一样，能让人产生独特的期许，感受到已知未来已至的振奋。它虽运作于微观领域，但其带来的影响注定在方方面面都举足轻重。在人类持续果敢探索量子世界的进程中，我十分期盼见证这项技术为人类带来诸多意想不到的发展机遇。

量子传感：五大问题速览

问：量子传感技术是否已应用于日常生活中？

答：是的。原子钟就是典型案例，它是 GPS 系统中的计时组件。

问：量子传感技术是否具有挽救生命的潜力？

答：目前，绝对量子重力仪 (AQG) 正在监测欧洲最高火山——特内里费岛泰德峰的可疑地震活动，助力更早地对危险的火山活动发出预警。

问：量子传感技术如何帮助我们应对气候变化？

答：欧盟耗资 1,700 万欧元的新项目 CARIOQA-PMP 将助力未来的轨道传感器绘制地球高分辨率重力分布图，并精确追踪地球大气层和生态系统的变化。

问：量子传感能否帮助我们探测地下更多的稀土元素？

答：超导量子干涉仪 (SQUID) 利用量子传感器探测强度仅为地球磁场一亿分之一的微弱磁场，仅在澳大利亚，就已探明价值超 40 亿美元的矿藏。

问：量子传感在金融领域的前景如何？

答：行业规模预计到 2030 年可达 10 亿美元，2040 年有望攀升至 60 亿美元。

 

[1] https://phys.org/news/2026-02-quantum-sensor-advances-pursuit-dark.html

[2] https://www.mckinsey.com/capabilities/tech-and-ai/our-insights/tech-forward/quantum-sensing-poised-to-realize-immense-potential-in-many-sectors

[3] https://www.innovationnewsnetwork.com/uk-research-advances-tsunami-warning-systems-and-quantum-tech/46720/

[4] https://www.birmingham.ac.uk/news/2023/how-can-quantum-technology-improve-earthquake-detection

[5] https://spie.org/news/photonics-focus/marchapril-2026/detecting-volcano-eruptions

[6] https://spie.org/news/photonics-focus/marchapril-2026/detecting-volcano-eruptions

[7] https://carioqa-quantumpathfinder.eu/

[8] https://thequantuminsider.com/2024/09/26/european-scientists-quantum-space-sensor-could-help-monitor-climate/

[9] https://thequantuminsider.com/2024/09/26/european-scientists-quantum-space-sensor-could-help-monitor-climate/

[10] This is known as Clarke’s Third Law, published in his 1962 essay “Hazards of Prophecy” and Profiles of the Future, implying that highly sophisticated technology seems miraculous to those who do not understand it.

[11] https://www.theisrm.org/failure-of-foresight/

[12] https://www.geoengineer.org/news/the-los-angeles-clearwater-collapse-insights-on-the-causes-and-technical-response

[13] https://www.kearney.com/service/digital-analytics/article/quantum-sensing-unprecedented-precision

[14] https://www.csiro.au/en/news/All/Articles/2023/May/Quantum-computing-and-mining

[15] https://thequantuminsider.com/2025/02/14/senators-introduce-2-5-billion-bill-to-expand-u-s-quantum-research/

[16] https://uknqt.ukri.org/