麦肯锡：量子传感究竟在何处可以发光发热

量子传感技术已经提供价值，潜在的应用案例可以塑造多个行业。有四种核心技术具有应用前景：固态自旋、中性原子、超导电路和离子阱，它们具有在广泛的物理属性上的传感能力，包括磁场、电场、旋转、温度、重力、时间和压力。选择哪种量子传感技术及其实现方式，取决于具体的应用场景。不同的技术能够测量不同的物理属性，并且各自在特定的环境条件下表现最佳。

本文通过不同的应用案例研究，讨论了上述量子传感技术的潜力和当前应用。它们围绕四个特定行业呈现，并根据不同的时间范围，强调了可以超越传统对手实现的进一步发展和增强的必要性。量子传感器的全部能力尚未知晓，但如果研究人员、初创公司和行业领导者共同努力探索它们的应用并将其从实验室中带出，它们有潜力创造一个全新的生态系统。在这里，本文概述了利益相关者实现这一潜力的必要行动和可能途径，跨越学术界和工业界。

量子传感今天可以发挥作用的领域：

生命科学中的信号检测

量子传感器应该能够更精确且实用地定位人体的磁信号，例如来自大脑和心脏的信号（Quantum Flagship, 2022）。目前，医生使用传统的MEG、MRI和MCG技术检测此类信号，这些技术只能提供关于信号源在目标器官内位置的有限信息（Childress, 2014）。此外，传统探测器体积庞大且脆弱，需要使用昂贵的低温设备，且必须在特殊屏蔽室或屏蔽舱内进行测量，以减少环境磁噪声的影响。相比之下，量子生物传感器可以通过放置在患者头上的轻便头盔或腰带进行测量（Aslam等, 2023）。这项技术将由一组几个小型传感器（每个约1厘米大小）组成，例如使用中性原子或钻石缺陷。这组量子生物传感器能够快速确定人体内磁信号的空间位置，精度可达几毫米。随着进一步的发展，这些量子生物传感器应该还能够在常规环境下操作，即无需低温设备和屏蔽室。很可能在未来五年内，将会有一种可在常规环境下操作的小型可穿戴量子生物传感系统问世。大规模、低成本的传感器生产将需要大幅提升制造能力。随着技术的进步，类似的应用将在生命科学领域出现。在短期内，我们将在生物成像研究中看到应用，以及在光谱学和显微镜用于分子分析的应用；长期来看，这些传感器可以用于医学成像和诊断，并分析药物和化合物的有效性（Aslam等, 2023；Levine等, 2019）。

无GPS情况下的导航

量子传感器，如中性原子或钻石磁力计，可以为各种车辆和平台提供增强的导航能力，无需依赖GPS卫星信号，甚至在环境噪声存在的情况下也能正常工作（Stray, 2022）。如果GPS卫星信号不可用，例如在拥挤或受屏蔽/屏蔽环境、水下、地下、建筑物内部或之间，或者GPS系统遭到破坏时，自主和其他车辆需要更好的导航能力迫在眉睫。目前，当短时间内没有GPS可用时，惯性测量单元可以用来推断与初始已知位置和方向相关的位置。目前市场上有各种商用惯性测量单元，基于传统磁力计和陀螺仪，从普通手机的民用应用，到舰船甚至潜艇的国防应用不等。然而，这种传统技术在性能上存在局限性，需要定期校准，并可能导致显著的导航误差。

无GPS情况下的导航

使用量子传感器将大大减少惯性测量单元的校准频率，从而减少累积漂移误差并提高导航精度。例如，量子磁力计在一年内的漂移小于100 pT，而传统的磁通门磁力计在几个小时内的漂移为几纳特。另外，量子传感器可以基于地球重力和地壳磁场的现有地图进行导航。在这些应用中，量子传感器的灵敏度比传统技术高出一到两个数量级。多模态量子磁力计可以通过结合高灵敏度的光泵磁力计（基于中性原子）和高度稳定的金刚石矢量磁力计（使用氮空位（NV）量子缺陷）的方式，变得更加稳健，后者由于其晶体结构具有天然的方向校准。要使量子导航传感器足够紧凑、稳健且成本低廉以便在车辆和其他移动平台上广泛使用，还需要进一步发展。不过，几家公司最近成功进行的量子导航系统原型的现场测试表明，NV-金刚石传感器可能在未来两年内具备商业化准备，而光泵磁力计系统可能在未来五年内准备就绪（QED-C，2022年）。随着对开发的持续投资，这种量子传感技术很快就可以应用于船舶、汽车和无人机。从长远来看，该技术可以在自动驾驶车辆和国防应用中实现。

微电子功能分析

量子传感器还可以通过非侵入性诊断成像检测微电子系统中的电流和磁化状态，从而提高对缺陷和运行状态的检测。在短期内，这项技术可以用于提高各种微电子设备的功能分析灵敏度，从电动汽车（EV）电池到计算机芯片，以及辅助使用3D架构设计下一代集成电路（IC）。以半导体芯片制造过程为例，质量控制的一个方面是确保磁存储单元的特征尺寸远小于100纳米。现有的测试测量通过将电探针连接到存储点并检查其电性能进行，但只能在生产过程结束时进行。相比之下，量子磁传感器可以在生产过程的早期阶段——在芯片金属化、封装和切割之前——分析存储器中的各个点，这将极大地有利于未来的芯片设计和质量控制。

此外，通过AI分析这些图像，成像由电流产生的矢量磁场可以用于多种应用，例如：集成电路（IC）和电动汽车电池中的故障检测；识别IC中的恶意电路、特洛伊木马或侧信道攻击；检测假冒芯片；以及辅助开发下一代IC（Levine，2019）。磁场可以穿透大多数材料，从而提供一个强大的窗口来观察微电子设备的结构和功能，就像生物医学中的功能性MRI（fMRI）一样。

NV-金刚石传感器特别适合这些应用，因为它们提供了高空间分辨率、良好灵敏度和宽视野的最小侵入性矢量磁成像（Debuisschert，2021）。最近量子传感初创企业的激增已经使得首批桌面级NV-金刚石产品用于微电子分析，并且目前的商业应用主要集中在芯片研究、IC故障分析和电动汽车电池质量控制上。除了在半导体和电池故障分析中的短期应用外，长期来看，这项技术还可以用于半导体芯片和电动汽车电池制造中的在线计量，然后扩展到普通电子设备，并替代国防领域的许多分析仪器。

地下测量和其他恶劣环境

最后，我们看到量子传感器在地下和其他极端或恶劣环境中的应用，这些技术可以提供更稳健和精确的测量，例如磁场和重力场的测量（Bongs等，2023）。例如，地表下准确的磁力和重力地图可以帮助识别断层，定位矿物、石油和埋藏物（Crawford，2021）或相关流动，例如水流（Bongs等，2023）。为了获得如此准确的读数，设备需要足够紧凑，例如能够安装在无人机机翼上或穿行于地下隧道或地表车辆的后备箱中（Stray，2022）。

传统设备无法轻易区分测量到的磁场或重力场与环境噪声，例如传感器所在的无人机或车辆的噪声，从而为用于模拟地下环境的数学模型提供的信息有限。量子传感器具有高度灵敏性——基于中性原子的传感器，如原子蒸气磁力计或梯度仪，甚至可以感知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从100米提高到10米。例如，这些设备通过测量原子共振线的偏移来提供高灵敏度的测量。通过观察矢量梯度而不是标量梯度，这些传感器可以衍生出更高级的自定义补偿算法，以减少环境噪声的影响，并自定义脉冲序列以过滤各种噪声源（Bongs等，2023）。

首批这些量子传感器已经用于检测火山过程引起的重力变化（Antoni-Micollier等，2022）。为了大规模工作，需要改进以最小化振动和急剧操作的影响，这些影响可能会导致传感器停止工作。长期来看，这些传感器和其他基于NV-金刚石的传感器可以用于检测埋藏管道和电力线的磁场，监测电力变压器和发电厂的温度，并作为磁力计帮助控制聚变反应堆。