什么是量子传感器？原理、类型与用途

2026.01.09

量子传感器读取量子状态因外部环境产生的微小变化，用于高灵敏度测量磁场、温度、加速度、重力、时间和频率。它是量子技术中较接近实际应用的领域之一。

基本原理

电子自旋、原子能级和物质波相位会受到磁场、温度或惯性力影响。量子传感通过初始化量子状态、让其与目标量相互作用，再进行光学或电学读出。

测量方法包括能级频移、干涉相位、量子跃迁概率和磁通量变化。根据用途，可使用单个量子体系、原子集合、超导回路或量子纠缠。

超导量子干涉器件利用约瑟夫森结和磁通量量子化，可检测极微弱磁场。它用于脑磁、材料评价和基础研究，但通常需要低温环境。

金刚石中的氮空位中心可在较宽温度范围工作，并通过光检测磁共振读取自旋状态。它适合微小区域的磁场、温度和电流成像。

原子钟利用稳定能级测量时间，原子磁力计测量磁场，原子干涉仪则可测量重力、加速度和旋转。原子的均匀性有利于建立可追溯基准。

应区分灵敏度、分辨率、带宽、动态范围和长期稳定性。环境磁场、温度、激光噪声、退相干和读出噪声需要通过屏蔽、参考通道和脉冲序列降低。

应用包括医疗成像、资源勘探、导航、半导体电流分析、材料研究和基础物理。实现小型化、自动校准、低成本和稳定量产，是扩大社会应用的关键。