Jtti量子传感：有望在许多领域发挥巨大潜力

量子传感比其他量子技术更成熟，潜力巨大。有了适当的支持，多个用例很快就能在多个领域带来巨大收益。

全球对高精度测量和关键应用数据的需求正在快速增长，量子传感器有潜力满足这一需求。1量子传感器基于量子系统，量子传感可以提供比传统传感高几个数量级的灵敏度的测量。虽然量子传感比计算和通信等其他量子技术更为成熟，但实验室实现的价值与现有的工业规模传感机会之间仍然存在相当大的差距。然而，这种差距代表着巨大的内部市场潜力。到 2030 年，量子传感预计将达到 7 亿至 10 亿美元，复合年增长率为 10% 至 15%；根据麦肯锡的分析，到 2040 年，这个内部市场预计将增长到 10 亿至 60 亿美元，并颠覆依赖传感器技术的行业。2

最终，量子传感技术可能带来一个全新的生态系统，在这个生态系统中，不可观察的事物现在可以被观察到，从而为经济的许多领域提供独特的新见解和数据集，可用于训练广泛应用的人工智能算法。

从具体用例的角度来看，量子传感的潜力是显而易见的。在本文中，我们讨论了该技术最适合商业用例的四个类别：成像和诊断、导航、故障分析和地下测量。

核心量子传感技术

多种量子传感技术已展示出对多种物理特性的能力，包括磁场、电场、旋转、加速度、温度、重力、时间和压力，使其适用于一系列商业应用。

量子传感的现有和长期商业用例

展示了各种量子传感技术如何应用于多个行业的用例。虽然其中许多用例尚处于起步阶段，但其中一些用例有望为企业和行业领导者目前面临的问题提供短期解决方案。

成像和诊断用例

量子传感器可能为更精确、更实用地定位人体内的磁信号提供潜力。5传统的脑磁图、磁共振成像 (MRI) 和心磁图在隔离信号源方面的能力有限，体积庞大且易碎，需要使用昂贵的低温设备，并且必须在特殊屏蔽的房间或室内操作以控制环境磁噪声。6

另一方面，量子生物传感器可以提供更精确的测量结果，并且可以在环境条件下运行，而无需低温技术。一组小型中性原子或固态自旋7量子生物传感器可以快速定位几毫米内的磁信号位置，并实现可穿戴量子生物传感器系统的使用。8根据麦肯锡对行业专家的采访和讨论，这样的系统可能在 2030 年实现；然而，要大规模生产这种传感器并实现盈利，就需要大幅提高制造能力。

导航用例

量子传感器，包括中性原子或金刚石磁力仪，可以为各种车辆和平台提供增强的导航能力，而无需 GPS 卫星信号，甚至在存在环境噪声的情况下也能实现导航。

在没有 GPS 卫星信号的情况下（例如在拥挤、屏蔽或屏蔽环境、水下或地下），可靠的导航是缺乏的。现有的惯性测量装置（包括消费者手机和军舰和潜艇的导航装置）根据初始已知位置和航向推断位置。它们的可靠性和范围有限，需要定期重新校准，并且可能产生严重的导航误差。量子传感器需要的校准频率要低得多，而且灵敏度比传统技术高出一到两个数量级，因此可以进行更精细和准确的测量。

需要进一步开发，使量子导航传感器足够紧凑、坚固和低成本，以便在车辆和其他移动平台上广泛使用。尽管如此，原型量子导航系统的现场测试表明，氮空位 (NV) 金刚石传感器和基于中性原子的光泵磁力计可能在未来几年内投入商业使用。10

微电子用例

量子传感器还可以通过提高功能分析的灵敏度以及协助设计使用 3D 架构的下一代集成电路 (IC)，在短期内改善对微电子器件缺陷和运行状态的检测。

目前，只能在生产结束时进行测试以确保磁性存储位的特征尺寸符合半导体制造要求。但量子磁传感器可以在生产过程中创建要分析的存储点，从而改进芯片设计和质量控制。NV-diamond 传感器还可以实现矢量磁场成像，结合 AI 图像分析，可以检测 IC 和电动汽车电池中的故障；识别 IC 中的恶意电路、木马攻击或旁道攻击；检测假冒芯片；并帮助下一代 IC 开发。11

首批用于微电子分析的桌面大小的NV-金刚石产品已经面世。

地下测量用例

量子传感器可以提供比传统技术在地下和其他极端或恶劣环境中更为稳健和精确的测量结果。12而对地表以下进行精确的磁力和重力测绘可以帮助识别断层并定位矿物、石油和埋藏物体或水源。13量子传感器对于这些用例至关重要，因为设备需要紧凑（例如，能够安装在无人机机翼上或车辆后备箱中），并且能够将磁场和重力场与环境噪声区分开来，从而为用于绘制地下环境地图的数学模型提供信息。14

基于中性原子的传感器，例如原子蒸气磁力仪或梯度仪，可以探测到非常微弱的矢量磁场和重力梯度，从而将无人机地图的分辨率提高十倍。

这些量子传感器的首批版本已经用于探测火山活动引起的重力变化。16需要进行改进，以尽量减少可能导致传感器无法正常工作的振动和剧烈动作的影响，从而扩大其应用范围。

将量子传感提升到新水平：行动步骤

量子传感器的潜力远远超出上述用例。例如，量子传感器可以实现单细胞或单个蛋白质的核磁共振光谱和 MRI，从而改变医疗保健领域的诊断和治疗。

为了使量子传感器实现广泛的商业影响，需要进一步开发以减小设备尺寸、重量和功率并提高制造成本效率。17但这些进步触手可及。通过战略投资，行业领导者可以加速量子传感器的商业化，将其整合到技术生态系统中，实现上一节概述的各种用例等等。

重点采取以下行动来释放量子传感的价值可以帮助释放其潜力。

拥抱短期和长期价值

量子传感是一个潜在的利润丰厚的新兴市场。近期的传感应用可能比量子计算应用更早产生商业价值。量子传感技术的扩展潜力巨大——如上所述，该技术可能会颠覆多个行业并引入超出目前设想的新功能。需要投资来推进技术、创造持续价值并探索新的量子传感用例。虽然用例的应用可能是中小型市场，但随着应用的扩展和越来越多，总经济价值将变得相当可观。

融入现有技术，形成新生态系统

一个超越现有传感器的生态系统正在兴起。使用量子传感器观察曾经无法观察的事物，可以得到新的见解，这开辟了新的可能性，专用的量子传感硬件和用于数据分析的早期人工智能算法正在开发中。为了在短期内实现最大影响，量子传感器必须集成到现有技术和基础设施中。从长远来看，随着该技术被更广泛地采用，量子传感器可以提供独特而广泛的数据集来训练可能产生更广泛影响的人工智能算法。一个发达的生态系统对于推进创新应用至关重要；虽然创新集群正在多个地区兴起，但跨学科协调至关重要。协调者可以协调制定明确的战略，并连接生态系统利益相关者（如研究机构、初创企业和行业参与者），就量子传感用例进行合作。

培养量子传感人才

量子传感需要广泛的专业知识和特定能力，如果市场增长速度超过人才增长速度，这可能会给行业带来瓶颈。需要将工程学与量子知识相结合的特定培训方案，以使行业领导者熟悉量子传感及其潜力，并为应届毕业生和经验丰富的专业人士提供与量子相关的技能培训。

采用新的思维方式

目前，人们对量子传感器应用的思考主要集中在改进现有应用上，但设备成本和尺寸以及与现有技术的竞争阻碍了这些改进。尽管如此，通过追求突破现有应用的颠覆性、前瞻性想法（例如，探索量子传感器在现有技术无法运行的极端环境中的可能性），公司可以避免此类陷阱，同时大胆迈进新领域。

缩小研究与产业之间的差距

为了推动潜在的、令人兴奋的新机遇，行业参与者最好采取积极主动的方式，吸引量子传感研究人员。同时，研究人员可以通过实验室以外的思维来支持新的行业努力。

初创企业将在研究和产业之间建立重要的联系，推动量子传感器技术的发展并寻求新的应用，但它们需要对长期潜力进行有远见的投资。研究、产业和初创企业之间的伙伴关系和协作可以弥补差距并增加价值。事实上，将现有研究应用于工业中的专用用例是量子传感蓬勃发展所需的关键后续步骤之一。