1. 背景及全文概述

在當(dāng)前的能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)和消耗的全生命周期中，傳感器是維持系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心基礎(chǔ)設(shè)備。然而，隨著能源系統(tǒng)復(fù)雜度的指數(shù)級(jí)上升，傳統(tǒng)經(jīng)典傳感器在靈敏度、分辨率和精度上已接近其物理極限，難以滿足高保真數(shù)據(jù)的采集需求。量子傳感技術(shù)通過量子力學(xué)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)突破經(jīng)典物理極限的測(cè)量，具有極高的穩(wěn)定性、自校準(zhǔn)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的精度提升。

在商業(yè)化進(jìn)程方面，量子傳感器市場(chǎng)已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性增長(zhǎng)階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2024年全球量子傳感器市場(chǎng)規(guī)模接近4億美元，預(yù)計(jì)2024至2032年的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）將達(dá)到15.7%。這一增長(zhǎng)主要受全球政府在量子信息科學(xué)（QIS）領(lǐng)域的巨額投資，以及自動(dòng)駕駛、醫(yī)療、國(guó)防和航空航天等高技術(shù)行業(yè)的溢出需求所驅(qū)動(dòng)。

目前，主流的量子傳感技術(shù)平臺(tái)主要包括以下五類：

• 量子重力儀：利用量子比特，在地下環(huán)境中實(shí)現(xiàn)低于 10^-9 m/s² 的重力加速度靈敏度測(cè)量。其具備自校準(zhǔn)功能，運(yùn)行期間無需漂移估計(jì)。

• 原子鐘：依賴特定原子（如銫、銣、鋁等）能級(jí)躍遷率進(jìn)行精確計(jì)時(shí)，最高精度可達(dá) 10^-18。已從大型實(shí)驗(yàn)室設(shè)備發(fā)展至尺寸僅約40毫米的低功耗芯片級(jí)原子鐘。

• 量子激光雷達(dá)：利用光子的量子糾纏特性，實(shí)現(xiàn)高度噪聲抑制，提供優(yōu)于經(jīng)典系統(tǒng)的空間分辨率和單光子檢測(cè)靈敏度。

• 量子磁力計(jì)：基于原子蒸汽、超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）或金剛石氮空位（NV）色心，實(shí)現(xiàn) fT/Hz^1/2 級(jí)別的磁場(chǎng)靈敏度。

• 光纖耦合量子傳感器：結(jié)合光纖的遠(yuǎn)程傳輸能力與量子態(tài)（如糾纏態(tài)、壓縮態(tài)），可突破散粒噪聲極限，實(shí)現(xiàn)分布式高精度傳感。

從實(shí)驗(yàn)室走向能源現(xiàn)場(chǎng)部署，量子傳感器仍面臨可靠性、體積、功耗及成本等核心工程挑戰(zhàn)。

2. 應(yīng)用場(chǎng)景總結(jié)

場(chǎng)景一：智能電網(wǎng)高精度感知

智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)以及分布式能源的接入，對(duì)電網(wǎng)的感知精度和時(shí)序同步精度提出了極為苛刻的物理要求。目前已有多種量子技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知：高精度電流傳感器：量子電流傳感器解決了傳統(tǒng)傳感器固有的磁芯飽和與非線性物理瓶頸，通過直接讀取電流誘發(fā)磁場(chǎng)對(duì)量子能級(jí)影響，實(shí)現(xiàn)了從毫安級(jí)微小漏電流到萬安培的超寬動(dòng)態(tài)范圍絕對(duì)物理量測(cè)量，具備極高的頻響帶寬和近乎為零的長(zhǎng)期物理漂移。可溯源超寬頻電場(chǎng)感知：利用里德堡原子傳感技術(shù)進(jìn)行電網(wǎng)局部放電監(jiān)測(cè)，其優(yōu)勢(shì)在于探頭采用了完全去金屬化的全光介質(zhì)設(shè)計(jì)，在超高壓環(huán)境中具備極其優(yōu)異的絕緣安全性和抗強(qiáng)電磁干擾能力，還能利用量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)從低頻到特高頻（UHF）甚至太赫茲的超寬帶絕對(duì)電場(chǎng)測(cè)量，克服了傳統(tǒng)金屬天線頻帶受限、易畸變電場(chǎng)以及長(zhǎng)期零點(diǎn)漂移的物理瓶頸，已被業(yè)界明確視為下一代電網(wǎng)無源智能化感知的顛覆性技術(shù)儲(chǔ)備。此外，量子精密測(cè)量技術(shù)還可用于高精度時(shí)間基準(zhǔn)，還可用于高精度時(shí)間基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)無衛(wèi)星信號(hào)時(shí)的精準(zhǔn)授時(shí)。

場(chǎng)景二：溫室氣體檢測(cè)

量子精密測(cè)量技術(shù)能用于地下儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)重力勘測(cè)：在碳捕集與封存（CCS）領(lǐng)域，利用高精度重力儀進(jìn)行地下二氧化碳注入和封存監(jiān)測(cè)，是一項(xiàng)極其經(jīng)典且已在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的大規(guī)模應(yīng)用。目前時(shí)移微重力監(jiān)測(cè)目前已成為國(guó)際大型 CCS 項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)物探輔助手段。此外，單光子量子雷達(dá)、光學(xué)頻率梳等已被證明能夠用于大氣溫室氣體監(jiān)控，能夠大范圍內(nèi)同時(shí)識(shí)別包括CO₂在內(nèi)的多種氣體，有效探測(cè)和成像痕量甲烷氣體泄漏。

場(chǎng)景三：新能源汽車管理與導(dǎo)航

電動(dòng)汽車的發(fā)展不僅是交通工具的革新，更是助力國(guó)家雙碳戰(zhàn)略落實(shí)的關(guān)鍵。量子磁測(cè)量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電池全生命周期狀態(tài)（SOC/SOH）高精度監(jiān)測(cè)：目前電池管理系統(tǒng)（BMS） 估算依賴傳統(tǒng)傳感器，其零點(diǎn)漂移會(huì)隨著時(shí)間不斷累積，最終導(dǎo)致儀表盤電量“虛標(biāo)”或斷崖式掉電。量子測(cè)量具有物理學(xué)上的絕對(duì)穩(wěn)定性和極低的零漂，能夠?yàn)?SOC 算法提供長(zhǎng)期免校準(zhǔn)的高準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，極大提升續(xù)航里程預(yù)測(cè)的真實(shí)性。此外，量子測(cè)量技術(shù)在自動(dòng)駕駛的量子增強(qiáng)視覺與定位導(dǎo)航等方面亦有應(yīng)用前景。

場(chǎng)景四：可再生能源優(yōu)化

太陽(yáng)能、風(fēng)能的效率優(yōu)化以及上游電池材料的供應(yīng)鏈安全，同樣需要更精密的物理勘探手段：光伏材料與器件的非破壞性表征：在光伏電池缺陷定位環(huán)節(jié)，量子鉆石顯微鏡（QDM）能夠在微觀尺度上對(duì)光伏器件內(nèi)部的局部磁場(chǎng)（即電流路徑）進(jìn)行高分辨率空間成像，精準(zhǔn)定位缺陷或失效位點(diǎn)。能源基礎(chǔ)設(shè)施的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)控：核電站等敏感設(shè)施的物理安全需要預(yù)見性的地質(zhì)監(jiān)控，量子重力儀能夠比經(jīng)典地震儀更快速地捕捉到地殼斷層破裂引發(fā)的重力異常，并迅速估算地震震級(jí)。此外，量子雷達(dá)能夠用于太陽(yáng)能和風(fēng)能資源測(cè)繪。

NV色心量子傳感器

基于金剛石NV色心電流傳感器，已應(yīng)用于智能電網(wǎng)高精度感知場(chǎng)景，在特高壓輸電工程及變電站落地，具備非接觸、寬量程、高精度特點(diǎn)；在新能源汽車電池管理上，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池狀態(tài)的精準(zhǔn)評(píng)估；基于NV色心的量子磁成像技術(shù)，則適用于可再生能源核心光伏材料檢測(cè)，用于新能源電池與光伏器件缺陷電流定位，助力提升新能源電池組件的檢測(cè)效率與可靠性。

磁浮微振重力儀

磁浮微振重力儀，可用于地下流體監(jiān)測(cè)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)，在碳封存場(chǎng)景中能夠清晰捕捉地層密度變化。同時(shí)適用于核電站等關(guān)鍵能源設(shè)施的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警。

量子微波場(chǎng)強(qiáng)儀

基于里德堡原子的量子精密測(cè)量技術(shù)，能夠監(jiān)測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度的絕對(duì)量值，無需定期校準(zhǔn)，適用于高壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電磁環(huán)境測(cè)試等場(chǎng)景，提供高動(dòng)態(tài)范圍的電場(chǎng)感知能力。

參考文獻(xiàn)：

Crawford, S.E., Lander, G.R., Paudel, H.P. et al. Quantum sensing for emerging energy technologies. Nat. Rev. Clean Technol. 1, 861–876 (2025).