作者简介
蔡明诚
国仪量子技术（合肥）股份有限公司工程师、高级产品经理，博士，主要研究方向为量子精密测量设备研制。
赵龙
国网安徽省电力有限公司电力科学研究院高级工程师，博士，电力量子感知安徽省联合共建学科重点实验室负责人，主要研究方向为量子信息技术在电力行业的应用。
孙峰
国仪量子技术（合肥）股份有限公司高级系统工程师，主要研究方向为量子传感器研发和应用。
许克标
国仪量子技术（合肥）股份有限公司副总裁、量子传感与精密仪器事业部总经理，高级工程师，博士，主要研究方向为量子计算与量子精密测量。
论文引用格式：
蔡明诚, 赵龙, 孙峰, 等. 量子精密测量产业化:技术突破与多领域应用场景深度融合[J]. 信息通信技术与政策, 2025, 51(7): 70-77.
量子精密测量产业化:技术突破与多领域应用场景深度融合
蔡明诚1 赵龙2 孙峰1 许克标1
（1.国仪量子技术(合肥)股份有限公司，合肥 230093；
2.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，合肥 230601）
摘要：量子精密测量技术作为量子信息技术的三大支柱之一，利用量子叠加、量子纠缠等效应，实现对时间频率、电磁场、重力等物理量的超高精度测量。全球主要经济体通过政策扶持与资金投入加速布局，聚焦核心技术研发与产业生态构建。量子精密测量技术当前已在时频测量、电网、新能源、生物医疗、计量、深地勘测等多领域实现产业化突破，有望成为量子技术中较快实现规模落地的方向。
关键词：量子信息技术；量子精密测量；产业化落地；多领域应用场景
0 引言
量子信息技术是植根于量子力学基本原理的革命性技术体系，其核心在于通过对原子、分子、光子等微观粒子量子态的精密调控，重构信息科学的基础范式。相较于经典信息技术，量子信息技术通过利用量子叠加、量子纠缠和量子隧穿等量子效应，超越了经典信息系统在信息容量、运算效率和测量精度等方面的理论极限。
1 量子精密测量
1.1 量子精密测量技术简介
量子精密测量通过量子态对外界参量的敏感性，建立起微观量子演化与宏观物理量之间的映射桥梁。该技术利用压缩态、纠缠态等量子资源，将时频、磁场、重力等物理量的测量精度推进到全新水平，理论上可突破经典散粒噪声的限制。
量子信息技术的演进，标志着人类技术文明从宏观器件的工程优化向微观量子态操控的转型。这种基于量子层级的“从下而上”的技术建构模式，不仅实现了对海森堡不确定性原理等量子规律的工具化运用，而且通过量子态制备、操控与测量的全链条技术创新，推动着人类从被动观测自然现象向主动操控物质本征特性的认知跃迁。这为构建量子时代奠定了观测基础与操控维度。
1.2 量子信息技术相关政策
当前，全球主要经济体在量子信息技术领域的政策布局呈现加速竞争态势，重心聚焦于核心技术研发、产业化推进与生态系统构建，呈现出高强度资金投入、技术保护主义升级以及生态体系构建三大共性特征。量子技术的竞争，正从实验室突破转向产业化落地与地缘战略博弈的双重维度。
美国通过《国家量子倡议法案》及其后续修订持续强化战略主导地位。2025年，美国信息技术产业委员会发布的《量子技术政策指南》提出六大政策支柱，旨在解决量子技术产业化“瓶颈”问题。此外，美国显著加强出口管制，将量子计算、通信和传感技术纳入对华投资限制清单，以限制技术扩散。
2018年，欧盟启动“量子旗舰计划”，计划在2030年前投入10亿欧元，重点推进量子计算、通信和传感技术的商业化应用[1]。2023年的战略更新强调构建泛欧量子通信基础设施，整合高性能计算与量子模拟资源，并在医疗成像、材料科学等领域实现量子优势。
我国已将量子科技纳入国家“十四五”规划，通过顶层设计整合“产学研用”资源，加速实验室成果向商用转化。中央网信办等三部门联合发布《信息化标准建设行动计划（2024—2027年）》，加速量子信息术语、架构及关键技术标准的研制工作，已在量子计算、通信、测量领域实现国家标准突破。
其他国家如俄罗斯、日本、韩国和印度近年来亦加速布局量子信息领域。日本通过《量子技术创新战略》强化基础研究，并限制量子、低温相关技术与设备的出口；韩国于2023年通过《量子科技和量子产业促进法案》，规划5年综合计划，重点支持量子通信、传感器和计算机技术；印度于2024年启动“国家量子任务”，注资7.26亿美元，计划建设量子标准化实验室，同时深化与美国、欧盟、日本等的合作[2]。
1.3 量子精密测量技术市场规模
量子精密测量技术的核心价值在于其卓越的精度和强大的抗干扰能力，在能源、医疗保健和通信等行业具有巨大应用潜力，其产业化进程正随着技术突破而加速推进。从细分行业来看，未来各技术方向产业规模增速会有所不同。总体来看，这反映出量子精密测量技术多元化应用正在逐步走向成熟，并开始走向商业化。2035年，量子钟产业规模预计将达到12.3亿美元，年复合增长率为6.63%；2035年，重力测量市场规模预计将达到10.9亿美元，磁测量产业规模预计将达到10.2亿美元；旋转、电场、温度、压力测量等行业产业规模相对较小，但其增长速度亦不容忽视[3]。
2 量子精密测量产业化
2.1 高精度时频测量
量子时间测量的基础源于原子能级跃迁的稳定性。1967年，国际计量大会将铯-133原子基态超精细能级跃迁周期的9 192 631 770倍定义为1 s，标志着时间基准从天文观测转向量子物理定义[4]。第一代微波原子钟（如铷钟、铯钟、氢钟）的频率不确定度已达10-16量级，误差约1亿年1秒[5-6]。近年来，第二代光钟技术通过操控锶、钙等原子的光频跃迁，精度提升至10-18~10-19量级[7-8]。目前，我国光钟研制技术已经达到了国际先进水平，多家科研机构实现了10-18的频率不确定度[9-11]。第三代核钟基于钍-229核同质异能跃迁，理论频率不确定度可达10-19量级，但仍处于实验室探索阶段[12]。
量子时频精密测量技术凭借其极高的频率稳定性和纳秒级时间同步能力，已在关键领域形成不可替代的技术支撑。在通信领域，5G/6G网络对时间同步精度的需求已突破微秒级限制。量子时频系统通过提供高精度授时，解决了经典技术的“瓶颈”，为大规模基站协同、超低时延数据传输提供了核心支撑。
当前，全球范围内从事量子时频精密测量技术研发与应用的企业众多：在芯片原子钟领域，主要有北京科微量子科技有限公司、华为旗下哈勃科技投资的国测（上海）量子科技有限公司等；在铷原子钟领域，主要有AccuBeat 有限公司、成都天奥电子股份有限公司、Safran公司等；在氢原子钟领域，主要有Microsemi公司、上海光链电子科技有限公司等。
从市场发展趋势看，量子时频测量产业规模将持续增长，需求集中于高精度导航、授时等方向。随着光钟技术持续突破（如中国科学技术大学团队实现了100 km级高稳时频传递[13]）及分子钟等新兴技术的发展，叠加5G/6G通信网络对纳秒级同步的刚性需求，量子时钟的民用市场将加速拓展，覆盖金融交易时间校准、无人驾驶自主导航、电网同步管理等场景，推动技术向民生普惠领域延伸。
2.2 电力电网
构建新型电力系统是推动能源转型的重要举措，涵盖电厂、可再生能源设施、输电和配电网络、储能系统、燃料存储设施等重要环节，是现代社会经济运行的重要支撑，保障着能源的可靠供应、传输和高效利用。量子精密测量技术能够高精度测量电力设备的电压、电流、温度、振动、湿度等参数，在动态范围、分辨率、灵敏度等性能指标上实现显著提升，有助于发现设备早期故障迹象，预测设备运行趋势，并以高置信度评估设备健康状态，在电力系统中的应用包括电网基础设施状态监测、电力输配过程监控、建筑节能管理、电能质量监测以及电能计量与结算等。
目前，多种量子精密测量技术已在电网中开展示范应用，展现出良好的推广前景。
2022年，国网安徽省电力有限公司联合中国科学技术大学成功研制并在合肥潜水路变电站示范应用量子电流互感器。该设备从测量原理上解决了传统电流互感器铁芯磁饱和问题，未来有望攻克特高压直流测量难题，在交直流输变电工程、计量标准溯源等领域具有广阔的产业化前景[14]。
2024年，220 kV合肥候店量子应用示范变电站正式投运，该站全方位集成了量子测量、量子通信、量子计算三大技术方向，部署了18类共85台量子设备，构建了先进的“电力+量子”智能感知网络，在量子测量方向，集中试点应用了8种76台套量子传感装置，实现了变电站运行态势的全景感知，有力推动了量子技术赋能电网智能量测、状态检测、调度运行等业务[15]。
2025年，由南方电网牵头完成的±800 kV量子电流传感器在昆柳龙直流工程投运，实现了非侵入式电流测量，量程1 mA~10 kA，精度达0.06%，有效解决了强磁场环境下的高精度测量难题[16]。
当前量子测量技术在电力行业的应用整体仍处于起步阶段，相较于经典测量技术，其在性能指标上的跨越式提升是驱动其应用发展的核心动力。然而，该技术在电力行业的规模化应用仍面临挑战，如量子测量器件性能稳定性有待提高、复杂现场环境下的抗干扰能力需进一步增强、适用场景仍需拓展、成本控制及大规模部署经验不足等。尽管如此，随着智能电网建设深入和量子测量技术持续攻关，该技术有望在系统控制、状态演化分析及设备评估等方面取得突破，显著提升电力系统多层次、多环节的控制精度和稳定性，应用前景广阔。
2.3 新能源
在“双碳”目标驱动下，新能源产业已成为全球能源转型的核心领域。中汽协与国际电池市场研究机构SNE Research的数据显示，截至2023年，我国新能源汽车市场占有率已达31.6%[17]，储能锂电池出货量突破185 GWh[18]。动力电池与储能电池的技术耦合不仅重构了“源-网-荷-储”协同体系，更催生了能源互联网的新模式。动力电池发展仍面临多重技术“瓶颈”，能量密度不足、低温性能差、循环寿命短以及安全隐患大是其面临的主要挑战。量子精密测量基于量子叠加、纠缠等特性，具备超高精度与灵敏度、宽动态范围、极端环境适应性以及多物理量同步监测等优势，为突破上述“瓶颈”提供了新途径。
目前，量子精密测量已在部分新能源场景中开展验证性研究。2022年，东京工业大学等机构研制了金刚石量子传感器，用于电动汽车锂电池的充放电过程监测，据称可使纯电动汽车续航里程增加约10%，该技术旨在精确测量电池荷电状态，以最大化发挥车载电池性能[19]。根据最新研究进展，量子陀螺仪作为基于量子力学原理的高精度角速度传感器，主要分为原子干涉式和原子自旋式两大技术路线，目前整体处于实验室样机向工程化过渡阶段，已在核心性能和应用场景上取得突破性进展，但仍需突破环境适应性、连续测量和成本“瓶颈”[20]。2024年，国仪量子合肥（技术）股份有限公司（简称“国仪量子”）研发了基于量子精密磁测量技术的磁性杂质检测仪，解决了传统电感耦合等离子体光谱法技术检测速度慢、误差大等难题，有望在生产线上实现自动化来料监测。目前，该设备在新能源汽车电池头部企业开展示范性应用研究，覆盖储能电池的原料质控、来料质检等多个环节。
2.4 生命健康领域
对心脏、肌肉、大脑及周围神经系统神经元活动产生的生物磁信号（通常在fT量级）进行无创检测，是早期临床诊断[21-22]和神经科学研究[23]中极具潜力的方法。相较于地球磁场（~50 μT），对这些微弱生物磁信号进行精确测量极具挑战性[24]。此外，磁性纳米颗粒（Magnetic Nanoparticles，MNPs）作为生物传感器中的标记物，对致病菌、肿瘤标志物[25-26]、蛋白质[27]、核酸等生物分子具有亲和力，提高基于MNP的检测方法的检出限是实现疾病早期诊断的关键。监测单个活细胞在生理环境下的磁场变化对于解答细胞生物学和生物医学中的关键问题至关重要，亟需开发新型分子尺度磁传感与成像平台。
然而，传统磁场传感器（如感应线圈、磁通门、霍尔传感器）的灵敏度和空间分辨率难以满足上述需求。量子精密测量技术利用量子系统、量子现象或量子特性实现物理量测量。不同类型的量子磁场传感器可分别提供低至fT量级的磁灵敏度[28]和纳米级的空间分辨率[29]。近年来，基于不同量子原理的磁场测量技术已在多个重要生物传感应用中取得突破[26,30-31]。
超导量子干涉仪（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）基于约瑟夫森结效应和磁通量子化原理工作[32]，其灵敏度极高，可达1 fT/Hz1/2，在现有量子磁传感器中居领先地位。在生物医学领域，SQUID是心磁图和脑磁图（Magnetoencephalography，MEG）技术的核心设备，通过捕捉心脑活动产生的极微弱磁场，为心脏和神经系统疾病的早期诊断（如癫痫、心律失常等）提供精准信息。然而，SQUID也面临着挑战，低温工作环境（低温SQUIDs工作温度低于9 K，高温SQUIDs工作温度低于77 K[33-34]）对设备制冷要求高，导致设备成本高昂、体积庞大，限制了其便携性和应用场景拓展。
无自旋交换弛豫磁力仪（Spin Exchange Relaxation Free，SERF）利用光泵浦使原子气室中的原子极化，基于拉莫尔进动原理测量磁场，工作温度接近室温，设备便携性和使用灵活性高，灵敏度可达7~10 fT/Hz1/2，能够满足诸多生物医学和科研场景的需求。在生物医学领域，可穿戴式SERF革新了生物磁信号检测方式。例如，头盔式MEG系统能紧密贴合头皮，支持受试者在运动状态下采集脑磁信号[35]；在胎儿心磁图检测中，成本显著低于SQUID系统（约1/10），提高了检测的经济性和可及性[21]。
金刚石氮-空位（Nitrogen Vacancy，NV）色心磁力仪基于NV色心的电子自旋态，利用光探测磁共振效应实现磁场测量，优势在于可实现纳米级空间分辨率[36]，可在室温大气环境下工作，支持生物体系的原位、实时观测[37]。在生物医学研究中，NV磁力仪可用于追踪单个细胞磁性纳米颗粒，监测细胞内生理过程；检测神经元动作电位产生的微弱磁场[38]；结合磁性纳米颗粒作为纳米温度计，检测细胞内热梯度变化[39]。
SQUID磁力仪短期内仍主导高端医疗诊断市场（如癫痫病灶定位、帕金森病研究、胎儿心电监测），其降低成本与体积需依赖高温超导技术的突破。市场主要由欧美企业主导（如美国Tristan Technologies公司、加拿大CTF Systems公司等）。国内漫迪仪器（上海）有限公司正在推动SQUID心磁检测设备的商业化。
SERF磁力仪凭借低成本、室温工作、可穿戴等优势，未来5~10年有望成为主流技术。国外厂商主要有美国QuSpin公司；国内有未磁科技有限公司、国仪量子，均已推出成熟产品。应用方向包括穿戴式脑磁设备、胎儿/成人心磁图设备。英国Cerca Magnetics公司推出可穿戴脑磁图扫描仪；国内未磁科技有限公司、昕磁科技有限公司均推出了商用心脑磁检测设备并开展临床研究。
NV色心磁力仪当前应用主要集中在科研领域，其进一步拓展有赖于材料科学与量子操控技术的突破，以及在生物医学应用场景的开发。例如：开发针对特定疾病标志物的超高灵敏度检测方法，实现早期精准诊断；在生物体内示踪、基因表达监测等方面取得突破，推动个性化医疗和精准肿瘤诊疗[40]。
2.5 微波电磁场传感计量
电磁感知是探索新材料、新器件及解释新电磁现象的基础，空间电磁场的精确测量更是维护网络电磁空间安全、保障通信导航和雷达探测性能的关键。然而，现有技术体系难以满足复杂电磁环境下对电磁态势准确、稳定、快速感知的需求，制约了复杂电磁环境监测、电磁兼容和电磁干扰测量技术的发展。传统微波探测通常采用偶极子天线，其几何尺寸与工作波长密切相关，低频应用时体积庞大。此外，传统电磁场精确测量严重依赖校准技术，面临“标准场需标准探头评价，标准探头标定需已知标准场”的循环依赖困境。
在全球计量体系量子化变革的背景下，传统实物计量基准正逐步被基于量子效应的量子基准所取代。基于里德堡原子的微波电场测量是其中的典型代表。里德堡原子指外层电子被激发至高主量子数态的原子，具有极高的极化率和宽频带响应特性，对外界电场极为敏感。基于里德堡原子的电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency，EIT）效应，在微波电场作用下会产生欧特莱-汤斯（Autler-Townes，AT）劈裂现象。通过测量EIT光谱的AT劈裂间隔即可反演微波电场强度，测量结果可直接溯源至基本物理常数（普朗克常数ħ）。相比传统方法，基于里德堡原子的微波电场测量溯源链简洁，在频率范围、极限灵敏度、测量不确定度及溯源性方面具有显著优势，非常适合建立微波电场量子计量标准。
基于里德堡原子的微波电场测量技术因其高灵敏度、宽频率范围、自校准潜力等特点，受到国际广泛关注，研究呈现多元化发展。在应用场景探索方面，该技术在微波电场计量、太赫兹波测量、太赫兹成像、新型通信等领域的应用潜力逐渐被发掘。在微波电场计量方面，对测量误差机制的认识不断深入，系统不确定度评估日趋完善。美国Shaffer研究团队指出了可能的误差源[41]，Holloway研究团队对其中非线性机制和微波高斯白噪声叠加进行了初步研究，评估主要不确定度分量，总系统不确定度小于1.4%[42]。同期，中国计量科学研究院团队也开展了相关研究，旨在建立微波电场量子标准和微波功率量子基准。商业化方面，美国陆军研究实验室、Rydberg Technologies公司以及我国的国仪计测量子科技有限公司和天之衡量子科技有限公司等正在开发集成化和可移动的小型化系统，积极推进相关技术的工程化与产业化应用。
2.6 深地勘测
量子重力仪凭借其独特优势，正在深刻变革多个重要行业。在资源勘探领域，通过探测微重力异常精准定位油气构造与金属矿脉，显著降低钻井风险。在地球科学领域，则用于高精度监测地下水迁移、冰川消融及火山岩浆活动，为灾害预警与气候变化研究提供关键数据支撑[43-44]。长期以来，经典绝对重力仪和绝对重力梯度仪受限于机械磨损和较低采样率，难以在移动平台上实现长期连续观测与应用。作为量子精密测量的重要分支，量子重力测量在灵敏度和抗干扰性方面具备显著优势，取得了颠覆性的性能突破。近年来，该技术聚焦资源勘探和基础科研，取得了显著进展，正逐步从理论概念和实验验证阶段迈向商业化与工程应用阶段，其挑战在于提升设备在复杂环境下的可靠性、降低成本并缩小体积。
2022年，英国一个研究团队利用移动式冷原子量子重力梯度仪获得地下空间结构物性断层扫描图，空间分辨精度达到0.5 m，展示了量子重力测量用于探测地下目标的潜力[45]。2024年，南京大学研究团队提出并演示了一种在室温下工作的小型化重力计，该重力计基于抗磁悬浮微型振荡器，灵敏度达到15 μGal/Hz1/2[46]。2025年，浙江工业大学研究团队开展机载动态绝对重力测量研究，为复杂地形的高精度、高分辨率重力场测绘提供了一种技术路径[47]。
国内外在量子重力仪产业化方面都取得了一定进展。国外方面，法国Exail公司已实现冷原子绝对重力仪商业化，产品广泛应用于地球物理勘探和基础研究；英国M Squared公司开发了紧凑型冷原子重力仪，着力提升便携性和环境适应性；美国AOSense公司也在研发高精度量子重力设备，部分产品已进入工程化阶段，美国国家航空航天局和能源企业是其重要用户；新加坡Atomionics公司冷原子量子重力仪已具备商业化能力，并在矿物勘探中得到了应用。国内方面，以微伽量子科技有限公司、中科酷原科技有限公司、国盾量子技术股份有限公司和国仪量子为代表的企业已实现量子重力仪产业化。
3 结束语
量子精密测量技术作为量子信息技术的核心支柱之一，近年来在产业化方面取得了显著进展并展现出广阔前景。当前，该技术在时频、磁场、重力等细分领域已形成相对成熟的产业生态，全球范围内初创企业及相关配套供应商数量已逾百家，产业链覆盖上游核心元器件、中游整机设备制造以及下游多元化行业应用。
然而，其产业化进程仍面临多重挑战：不同技术方向成熟度差异显著，部分领域尚处于实验室原型阶段；在成本控制、应用场景深度拓展以及提升市场认知与接受度方面仍需持续努力。此外，国内在标准体系建设及基础设施布局方面存在不足，亟需加强可分发量子计量标准的系统性建设。
展望未来，量子精密测量技术凭借其超高精度和优异的环境抗干扰能力，在航空航天、医疗、通信等关键领域展现出巨大的应用潜力。据预测，量子精密测量技术的全球产业规模预计将从2024年的约16.7亿美元增长至2035年的45亿美元，年复合增长率达9.4%[3]。技术发展趋势上，传感器小型化与集成化将加速其在智能制造、可穿戴设备等新兴场景的渗透，而跨学科、跨行业合作与持续的政策支持将共同催化商业化进程。总体而言，量子精密测量技术有望成为量子技术领域较快实现规模化产业落地的方向，引领由高精度测量需求驱动的产业变革。
Industrialization of quantum sensing: technology breakthroughs and integration of multi-field application scenarios
CAI Mingcheng1, ZHAO Long2, SUN Feng1, XU Kebiao1
（1. CIQTEK, Hefei 230093, China；
2. Electric Power Research Institute of State Grid Anhui Electric Power Co., Ltd., Hefei 230601, China）
Abstract: Quantum sensing technology, as one of the three pillars of quantum information technology, utilizes effects such as quantum superposition and entanglement to achieve ultra-high precision measurement of physical quantities like time and frequency, electromagnetic fields, and gravity. The major economies around the world have accelerated their layout through policy support and capital investment, focusing on core technology research and development and industrial ecosystem construction. Currently, quantum sensing has achieved industrialization breakthroughs in multiple fields such as time-frequency measurement, power grids, new energy, biomedicine, metrology, and deep earth exploration, and is expected to become the direction of quantum technology that achieves large-scale application relatively quickly.
Keywords: quantum information technology; quantum sensing; industrialization; multi-field application scenarios
本文刊于《信息通信技术与政策》2025年 第7期
主办：中国信息通信研究院
《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“ 信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库 ”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、 国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。
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