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量子传感技术研究现状及发展趋势

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魏小刚 ¹ , 张笑楠 ¹ , 刘岩 ¹ , 罗文浩 ¹ , 李伟鹏 ¹^,²^,³ , 贾春阳 ¹^,²^,³ , 杨仁福 ¹^,^†

前瞻科技 | 综述与述评 2025,4(4): 92-102

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前瞻科技 | 综述与述评 2025, 4(4): 92-102

量子传感技术研究现状及发展趋势

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魏小刚¹, 张笑楠¹, 刘岩¹, 罗文浩¹, 李伟鹏¹^,²^,³, 贾春阳¹^,²^,³, 杨仁福¹^,^†

作者信息

¹ 北京量子信息科学研究院，北京 100193

² 中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室，北京 100190

³ 中国科学院大学，北京 100049

魏小刚，研究员，博士生导师。从事原子系综的量子相干特性研究，包括冷原子的制备与操控，热原子量子相干特性调控，激光频率稳定与位相锁定等。发表学术论文29篇。授权专利13件。电子信箱：weixg@baqis.ac.cn。

杨仁福，研究员，博士生导师。享受国务院政府特殊津贴专家。长期致力于原子钟及量子精密测量技术研究，研制成果应用于天宫空间站、北斗导航系统等重大工程。获中国专利金奖、国防科技进步奖一等奖、中国航天贡献奖等。主持科研课题20余项，发表论文60余篇。授权专利58件。电子信箱：yangrf@baqis.ac.cn。

通信作者:

†

Research Status and Development Trend of Quantum Sensing Technology

Xiaogang WEI¹, Xiaonan ZHANG¹, Yan LIU¹, Wenhao LUO¹, Weipeng LI¹^,²^,³, Chunyang JIA¹^,²^,³, Renfu YANG¹^,^†

Affiliations

¹ Beijing Academy of Quantum Information Sciences, Beijing 100193, China

² Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

³ University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

出版时间: 2025-12-20 doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.04.007

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摘要

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传感技术是对各种物理量进行测量的技术，关系到国计民生的各个领域。量子传感技术是量子技术中最早实现实际应用的技术，一直受到各国的重点关注，近年来更是得到了突飞猛进的发展。文章介绍了世界各国在量子传感技术方面的发展战略及支持，概述了量子传感技术的发展现状，包括其所涵盖的领域、主要的应用场景及取得的重要成果，梳理了存在的关键技术挑战，并对我国的量子传感技术发展提出了建议。

关键词

量子传感技术 / 量子精密测量 / 研究现状 / 国际发展战备

Abstract

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Sensing technology is a technique for measuring various physical quantities and is relevant to all fields concerning national economy and people’s livelihood. Quantum sensing technology is the earliest quantum technology to realize practical applications, which has always received key attention from countries around the world and has achieved rapid development in recent years. This paper introduces the development strategies and support provided by various countries in the field of quantum sensing technology, and also presents the current development status of quantum sensing technology, including its covered fields, main application scenarios, and important achievements made in recent years. Additionally, it sorts out the existing key technical challenges, and puts forward suggestions for the development of quantum sensing technology in China.

Key words

quantum sensing / quantum precision measurement / development status / global development strategies

引用本文

魏小刚, 张笑楠, 刘岩, 罗文浩, 李伟鹏, 贾春阳, 杨仁福. 量子传感技术研究现状及发展趋势. 前瞻科技, 2025 , 4 (4) : 92 -102 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.04.007

Xiaogang WEI, Xiaonan ZHANG, Yan LIU, Wenhao LUO, Weipeng LI, Chunyang JIA, Renfu YANG. Research Status and Development Trend of Quantum Sensing Technology[J]. Science and Technology Foresight, 2025 , 4 (4) : 92 -102 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.04.007

正文

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作为量子信息科技领域的关键支柱，量子传感与量子精密测量同量子计算、量子通信共同构建起未来科技发展的战略基石。量子传感与量子精密测量是通过操控一定的量子系综，利用能级跃迁、相干叠加、量子纠缠等量子特性，突破经典探测手段的瓶颈，实现测量准确度、灵敏度和稳定性等方面的数量级提升。

在国防安全领域，量子传感技术凭借其超高精度与灵敏度，能够实现对微弱信号的精准捕捉与解析，在反潜作战和导弹控制等方面可以增强军队的作战能力与战略威慑力。在民用领域，量子传感技术同样展现出巨大的应用潜力与经济价值。例如，可以为智能电网的建设与优化提供有力支撑；提升5G网络的覆盖范围与通信质量；助力疾病的早期诊断与精准治疗，为生命科学研究开辟了新的道路。量子传感技术的发展还将对无人驾驶、万物互联、脑机接口等新兴行业产生强大的牵引作用。基础科学领域，如暗物质、暗能量的研究更是依赖突破传统极限的量子传感技术。

量子传感技术不仅是高精尖技术，更能推动传统产业升级，形成万亿级量子经济市场。大国竞争的核心之一是量子产业链的控制权，量子传感的核心技术具有极高的技术壁垒，目前仅有少数国家掌握。量子传感技术的优势直接关系国家战略安全、科技前沿话语权、产业升级主动权。这些领域的领先地位决定了大国在全球格局中的竞争力，因此成为中国、美国、欧盟、日本等国家和地区博弈的核心领域。文章通过梳理国内外量子传感技术领域的战略布局，系统阐述该技术的研究现状，深入剖析关键技术挑战，并从政策层面提出发展建议，以期为我国量子传感技术的发展提供支撑，助力提升我国在该领域的全球战略竞争力。

1 国内外量子传感技术战略布局

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凭借原理上的超高精度优势，以及在医疗、导航等领域的明确应用需求，全球量子精密测量与传感产业市场收入逐年增长。根据英国IDTechEx公司对量子传感器市场进行的分析，量子传感器市场在2025—2045年的复合年增长率（Compound Annual Growth Rate, CAGR）预计可达11.4%，到2045年市场规模将增至22亿美元。目前国际上多个科技强国发布了量子传感技术专项计划和国家重点发展方向，把量子传感器列为核心发展领域，将重心放在战略应用和成果转化，支持科研机构联合研发或成立新型机构，推进重点方向研发与应用。

1.1 中国

我国高度重视量子信息技术发展，已将量子传感与测量技术纳入国家发展战略。自2016年起，我国布局了多个量子传感与测量领域的重点项目，如科技部“地球观测与导航”“智能传感器”等重点研发计划等。2022年1月，国务院印发《计量发展规划（2021—2035）》，实施“量子度量衡”计划，重点研究基于量子效应和物理常数的量子计量技术及计量基准、标准装置小型化技术，突破量子传感和芯片级计量标准技术，形成核心器件研制能力。科技部科技创新2030—“量子通信与量子计算机”项目中，将量子精密测量列为三大重点领域之一。国家自然科学基金委员会“高精度量子操控与探测重大研究计划”于2024年和2025年以每年约5 000万元的资金规模支持相关研究。

近年来国内多省市纷纷出台政策措施，成立新机构或专业研究部门，支持量子传感技术发展。国内量子技术研发机构纷纷设置量子传感或量子精密测量部门。同时传统综合性大学或计量专业研究机构等也在积极开展量子传感技术相关研究，如清华大学物理系极端条件下的精密测量、北京大学量子电子学研究所原子钟和脑成像技术、北京航空航天大学大科学装置研究院量子精密测量和传感方向等。

1.2 美国和加拿大

2018年12月，美国总统签署《国家量子计划法案》（H.R.6227），设立国家量子计划协调办公室（National Quantum Coordination Office, NQCO）等管理协调机构，正式启动为期10年的国家量子计划（National Quantum Initiative, NQI）；2022年4月，美国发布名为《将量子传感器付诸实践》的量子传感器国家战略，将量子传感器列为NQI的近期核心目标，并统筹协调学术、产业界与政府各机构间的研发合作；2023年11月，《国家量子倡议重新授权法案》（H.R.6213）获得美国众议院全体委员会通过，2024年参议院多位议员共同提出的新法案对众议院提出的原法案做了部分修改，授权2025—2029财年为美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）、国家科学基金会（National Science Foundation, NSF）和航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）的量子研发拨款从18亿美元增至27亿美元。

2023年1月，加拿大创新、科学和经济发展部宣布启动《国家量子战略》（2021年6月发布）的实施阶段，该举措旨在巩固其在量子研究领域的全球领先地位，通过推动量子技术研发、培育量子科技企业、培养专业人才，最终塑造加拿大量子技术的长期发展优势。

1.3 欧盟和英国

2022年，欧盟量子旗舰计划（Quantum Flagship）发布初步战略研究和行业议程（Strategic Research and Industry Agenda, SRIA），系统概述了量子传感与计量、量子计算、量子通信等核心量子技术领域的研发路线及工业落地规划。2024年，欧盟推出《2030年战略研究和产业议程：量子技术十年目标与路线图》，通过整合欧盟量子旗舰计划资源，减少对外国开发的关键组件和硬件的依赖，将欧洲定位为世界上第一个“量子谷”，以使量子传感技术领域在2030年前实现商业化应用。

2021年，德国发布《国家量子系统议程2030》，布局10年内包括量子雷达、量子磁力仪、量子成像等量子传感技术领域的研究计划。2023年4月，德国通过了《量子技术行动计划》，该计划由联邦教研部提出，旨在推动量子技术的研发和应用，以确保德国在这一关键技术领域的技术主权和国际竞争力。计划在2023—2026年为量子技术研发提供约30亿欧元的资金支持，这一计划的3项优先事项之一就是量子传感技术。

2021年，法国启动《量子技术国家战略》，计划围绕量子通信、量子计算、量子传感等战略目标投入18亿欧元的资金支持，其中2.5亿欧元用于支持量子传感技术。

2013年，英国启动全世界第一个系统性的发展量子技术的国家战略——国家量子科技计划（National Quantum Technologies Programme, NQTP），该计划提供约10亿英镑支持量子传感和计时技术中心、量子成像技术中心建设，引领众多大学参与量子传感技术研究。2023年3月，英国科学、技术与创新部发布《国家量子战略》，明确了英国在未来10年成为世界领先的量子经济体的愿望，预计到2030年量子传感技术将产生至少50亿美元的收益。

1.4 其他国家

2017年，日本推出量子飞跃旗舰计划（Quantum Leap, Q-LEAP）重点支持重力梯度传感、量子惯性传感、量子磁力仪、纠缠光子量子测量等研究。2020年和2022年，日本先后发布《量子技术创新战略》《量子未来社会愿景》，分别聚焦量子技术研发和量子技术应用和产业化。2023年出台《量子未来产业创造战略》，提出需要重点优先推进的举措。这些计划均将量子传感与测量作为核心领域。

2023年，澳大利亚政府发布了该国首个《国家量子战略》。目标为培育工业、企业、大学、各州地区和国际合作伙伴间的合作优势，建立一个繁荣、可靠的量子生态系统，将澳大利亚变成全球量子技术领导者，在未来建立更强大的产业并创造就业机会，通过新的项目激励量子传感技术应用。

2 量子传感技术发展现状及趋势

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量子传感技术按照其测量的物理量和应用场景分类，可分为时间测量、磁场传感、电场传感、惯性传感、重力传感、生物传感等技术，以及相关的前沿科学技术。

2.1 时间测量技术

高精度时间是国家的战略资源，原子钟是精确时间的源头，曾有14项诺贝尔物理学奖成果与原子钟技术密切相关。原子钟以原子能级间量子跃迁的频率作为标准，可以实现精确的时间测量或频率校准，已广泛应用于守时、授时、用时系统，以及前沿科学研究等领域。按照原子跃迁能级谱线对应的频段区分，可分为两类：微波原子钟（跃迁频率在微波段）和光学原子钟（跃迁频率在光波段，也称光钟）。目前，各国竞相在芯片级微波原子钟和光钟方面加大研究力度，以获得更小尺寸的实用化原子钟或更高精度的原子钟。近两年来，核钟的研究受到各国科学家的关注，有望在时间频率的测量不确定度方面取得新突破。

芯片级微波原子钟的研究目前处于工程化阶段。发展最快的是美国Microchip公司，其SA.45s等系列产品已批量生产，体积为16 cm³，功耗为125 mW，频率稳定度为1.5×10^-10@1 s、5×10^-11@10 s、1.5×10^-11@100 s。法国贝桑松Femto-ST实验室、瑞士纳沙泰尔大学和洛桑联邦理工学院、德国乌尔姆大学正在开展相关研制。我国北京量子信息科学研究院、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院（简称精密测量院）、成都天奥电子等机构已实现微型原子钟原理样机的研制及部分应用。北京量子信息科学研究院杨仁福团队研制的微型原子钟（图1），体积为15 cm³，功耗为0.8 W，频率稳定度5×10^-11@1 s、2×10^-11@10 s、5×10^-12@100 s，在体积和守时指标上处于国内外领先水平。

在光钟方面，目前仍处于实验室研制阶段。美国NIST、英国国家物理实验室、德国联邦物理技术研究院、法国巴黎天文台等国际计量机构皆在开展光钟的研制。我国的中国计量科学研究院、国家授时中心、精密测量院、华东师范大学、国防科技大学、华中科技大学、北京大学等研制的光钟，频率准确度达到10^-17量级。2024年初，合肥国家实验室/中国科学技术大学成功研制了万秒稳定度和不确定度均优于5×10^-18的锶（Sr）原子光晶格钟^[1]。2024年，美国实验天体物理联合研究所叶军团队研制的Sr原子光晶格钟不确定度达到8.1×10^-19^[2]。目前，光钟的发展方向为继续提升稳定度和集成化，基于双光子跃迁原理的光钟具有高度集成化的潜力。我国光钟的研究与国外最高水平接近，处于国际先进水平。

核钟通过特定原子核的基态与激发态之间的跃迁，以该跃迁频率作为超稳定频率标准。与传统原子钟不同，核钟利用的是原子核本身的量子振荡。原子核的能级跃迁频率受外界环境的干扰更小，因此计时稳定性更优。1996年，俄罗斯Tkalya最早提出将“核激发”作为计时用高稳定光源的想法，为核钟的研究奠定了理论基础^[3]。2024年，来自欧洲的Tiedau等^[4]和美国的Elwell等^[5]利用²²⁹Th掺杂的氟化钙（CaF₂）晶体，先后报道了²²⁹Th原子核跃迁的能量，对应的辐射频率为2 020.407 THz，解决了核钟发展的关键问题。2024年9月，叶军团队通过使用真空紫外（Vacuum Ultraviolet, VUV）频率梳直接激发固态CaF₂材料中掺杂的²²⁹Th核钟跃迁，建立了^229mTh核同质异能跃迁与⁸⁷Sr原子钟的直接频率比对，精确测量了相关频率、核四极分裂及固有属性，为核钟发展铺平了道路^[6]。2024年12月，美国实验天体物理联合研究所与NIST等研究机构成功开发出四氟化钍（ThF₄）薄膜，这种薄膜的放射性大幅降低，成本效益更高，有望解决地球上²²⁹Th储量少的问题^[7]。目前，核钟的关键技术正被逐步突破，未来可期。我国对核钟的研究整体上处于跟踪研究状态，与国际最高水平存在一定差距。

2.2 磁场传感技术

磁场测量主要是面向微弱磁场的测量，其原理是基于自旋磁矩在磁场中的拉莫尔进动效应，利用进动频率或塞曼能级分裂大小与磁场强度成正比的关系，实现磁场的传感和测量。原子磁力仪可分为以下两类：基于原子气室自旋体系的光泵磁力仪、无自旋交换弛豫（Spin Exchange Relaxation Free, SERF）磁力仪；基于固态自旋体系的金刚石氮空位（Nitrogen Vacancy, NV）色心磁力仪。其中光泵磁力仪环境适应性强，SERF磁力仪具有最高的极限灵敏度，金刚石NV色心磁力仪空间分辨率高，此外还有利用超冷原子的技术路径，其产业化还有较长的路要走。

国际上，美国和德国在磁力仪研制和产业化方面处于领先地位，有多款成熟产品。美国Quspin公司和Twinleaf公司已推出小型原子磁力仪商业化产品，在地磁下可实现1 pT/