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在信息化浪潮奔涌前行的當(dāng)下，傳感器作為信息感知的關(guān)鍵“觸角”和”數(shù)據(jù)之母”，已深深嵌入工業(yè)制造、醫(yī)療衛(wèi)生、日常消費(fèi)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、航空航天等諸多領(lǐng)域，其性能優(yōu)劣直接影響各類系統(tǒng)的運(yùn)行效能與精準(zhǔn)程度。
歷經(jīng)長(zhǎng)期發(fā)展，傳感器雖成就斐然，但如今在技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用拓展等多個(gè)維度深陷瓶頸，增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)趨緩，難以契合新興行業(yè)層出不窮的需求以及日益嚴(yán)苛的參數(shù)指標(biāo)提升要求。量子技術(shù)恰似一道曙光，為傳感器產(chǎn)業(yè)開辟出前所未有的發(fā)展通途，正引領(lǐng)其邁向技術(shù)革新與變革的嶄新時(shí)代。
量子技術(shù)為傳感器產(chǎn)業(yè)注入新活力
自20世紀(jì)80年代以來，感知技術(shù)在敏感機(jī)理與材料、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)與工藝、技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化與提升、多參數(shù)復(fù)合與模塊化設(shè)計(jì)，以及數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、微型化、歸一化、低成本等方面的技術(shù)創(chuàng)新層出不窮，成果風(fēng)起云涌。歷經(jīng)數(shù)十年的技術(shù)工藝迭代，全球市場(chǎng)上由聲、力、光、氣、磁、溫濕度、RFID、生物等八大敏感技術(shù)形成的各種傳感器產(chǎn)品已有3.1萬種之多，長(zhǎng)期的技術(shù)演進(jìn)使傳感器在原理與工藝上趨近成熟，甚至是類型固化，功能與性能差異細(xì)微，產(chǎn)品的同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)激烈，可挖掘的潛力越發(fā)有限。各大廠商在研發(fā)上缺乏突破性創(chuàng)新，難以構(gòu)筑獨(dú)特競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，致使整個(gè)行業(yè)發(fā)展動(dòng)力不足。
隨著傳感器應(yīng)用市場(chǎng)拓展至各個(gè)行業(yè)，特別是新興產(chǎn)業(yè)如自動(dòng)駕駛、量子通信、精準(zhǔn)醫(yī)療等強(qiáng)勢(shì)崛起，對(duì)傳感器性能提出了更高要求。傳統(tǒng)傳感器在檢測(cè)精度、響應(yīng)速度、抗干擾能力等方面漸顯乏力，難以滿足新場(chǎng)景需求。而量子技術(shù)的出現(xiàn)，特別是在傳感器技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，為傳感器技術(shù)創(chuàng)新注入了新的活力，開啟敏感機(jī)理創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革的新紀(jì)元。
量子傳感器具有超高精度、高靈敏度、超快響應(yīng)速度等特點(diǎn)，其能夠突破傳統(tǒng)傳感器的精度天花板，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的極致精確測(cè)量，能在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)變化做出反應(yīng)，滿足高速動(dòng)態(tài)測(cè)量需求，在高速運(yùn)動(dòng)物體軌跡監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用。
作為前沿科技的重要代表，量子傳感器技術(shù)已成為各國(guó)競(jìng)相角逐的戰(zhàn)略高地。發(fā)達(dá)國(guó)家憑借深厚的科研積淀、雄厚的資金實(shí)力以及完善的創(chuàng)新生態(tài)，早早布局，在技術(shù)探索與應(yīng)用拓展方面取得了諸多開創(chuàng)性成果，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)領(lǐng)先地位。
美國(guó)、日本和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)在此領(lǐng)域一路領(lǐng)航。美國(guó)在量子技術(shù)研發(fā)上投入巨量資源，眾多頂尖科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)踴躍參與，如加州理工學(xué)院、IBM等。在原子鐘、量子磁力儀等關(guān)鍵技術(shù)上成果豐碩，并已率先在軍事、航空航天等高端領(lǐng)域應(yīng)用。歐洲側(cè)重量子技術(shù)聯(lián)合研發(fā)，通過歐盟框架計(jì)劃力挺多個(gè)量子傳感器研究項(xiàng)目，在量子通信中的應(yīng)用方面優(yōu)勢(shì)突出。
我國(guó)近年來在量子傳感器領(lǐng)域發(fā)展迅猛，政府高度重視，科研投入持續(xù)加大，成績(jī)顯著。中國(guó)科學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)在量子傳感器基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方面屢獲成果，自主研發(fā)的高精度原子鐘已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水準(zhǔn)。此外，已有部分企業(yè)敏銳布局量子傳感器產(chǎn)業(yè)，積極推動(dòng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
量子傳感器正從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用
目前，量子傳感器正逐步從實(shí)驗(yàn)室走向行業(yè)實(shí)際應(yīng)用。市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Allied Market Research數(shù)據(jù)顯示，2024年全球量子傳感器市場(chǎng)規(guī)模已突破10億美元，達(dá)到11.4億美元。預(yù)計(jì)到2026年將達(dá)到23.32億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)17.7%。從區(qū)域來看，亞太地區(qū)憑借龐大的市場(chǎng)需求和快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，預(yù)計(jì)將成為增長(zhǎng)最快的區(qū)域，年復(fù)合增長(zhǎng)率有望達(dá)到19.2%。其中，中國(guó)作為亞太地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)體，在政府政策支持和科研投入不斷增加的推動(dòng)下，市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將在2030年突破100億美元。
另一家市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Grand View Research發(fā)布的報(bào)告指出，在細(xì)分市場(chǎng)中，量子磁力儀因其在醫(yī)療、地質(zhì)勘探、國(guó)防等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，預(yù)計(jì)將占據(jù)最大市場(chǎng)份額。同時(shí)，量子重力儀和量子陀螺儀等細(xì)分市場(chǎng)也將呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，年復(fù)合增長(zhǎng)率均超過18%。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的持續(xù)拓展，量子傳感器的種類將不斷豐富，未來5~10年內(nèi)，有望基于新原理、新材料開發(fā)出更多類型的量子傳感器，以滿足不同行業(yè)的多樣化需求。
研究發(fā)現(xiàn)，量子傳感器在以下領(lǐng)域可形成成熟度較高的應(yīng)用場(chǎng)景。
醫(yī)療領(lǐng)域。利用高靈敏度，能夠探測(cè)到生物標(biāo)志物的微量變化，實(shí)現(xiàn)癌癥、心血管疾病等的早期診斷，大幅提高疾病治愈率。還可以通過原子磁力儀檢測(cè)大腦神經(jīng)元活動(dòng)產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)，進(jìn)行腦功能監(jiān)測(cè)，并可繪制高精度腦磁圖，助力神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷與研究。
通信領(lǐng)域。在量子通信中，可用于檢測(cè)單光子信號(hào)，保障量子密鑰分發(fā)的安全性，為信息安全傳輸筑牢防線；對(duì)通信設(shè)備的電磁參數(shù)進(jìn)行高精度測(cè)量，優(yōu)化設(shè)備性能，提升通信質(zhì)量。
能源領(lǐng)域。在石油勘探過程中，量子重力儀和磁力儀可用于高精度地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)，提高石油勘探的準(zhǔn)確性和效率，降低勘探成本。新能源電池性能監(jiān)測(cè)也可通過量子傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部的物理和化學(xué)變化，優(yōu)化電池性能，延長(zhǎng)電池使用壽命。
智能交通領(lǐng)域。在自動(dòng)駕駛精準(zhǔn)定位過程中，量子慣導(dǎo)傳感器不受衛(wèi)星信號(hào)限制，能夠?yàn)樽詣?dòng)駕駛車輛提供高精度、高可靠性的定位信息，保障車輛在復(fù)雜環(huán)境下安全行駛。車路協(xié)同系統(tǒng)可利用量子雷達(dá)對(duì)交通流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的交通流量預(yù)測(cè)和智能交通調(diào)度，緩解交通擁堵。
智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。通過多參數(shù)量子傳感器快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)土壤中的養(yǎng)分含量、酸堿度、環(huán)境氣象等參數(shù)，為精準(zhǔn)施肥提供了科學(xué)依據(jù)，提高了農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量。也可通過監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的生理特征和環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲害和營(yíng)養(yǎng)缺失等問題，采取相應(yīng)措施進(jìn)行干預(yù)。
金融安全領(lǐng)域。量子磁性傳感器可對(duì)貨幣的物理特性進(jìn)行高精度檢測(cè)，快速準(zhǔn)確地識(shí)別真?zhèn)呜泿?，提高金融交易的安全性。也可?duì)金融機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)施進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，如監(jiān)測(cè)金庫的溫度、濕度、振動(dòng)等參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，保障金融資產(chǎn)安全。
多措并舉推動(dòng)我國(guó)量子傳感器技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用
隨著技術(shù)的持續(xù)突破和完善，量子傳感器有望在更多領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，推動(dòng)各行業(yè)智能化升級(jí)。未來，量子傳感器將朝著小型化、集成化、多功能化方向發(fā)展，與人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)深度融合，為智能時(shí)代發(fā)展注入強(qiáng)大動(dòng)力。為了加快我國(guó)量子傳感器技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，提出以下建議：
一是強(qiáng)化政策扶持與引導(dǎo)。政府應(yīng)制定專項(xiàng)政策，對(duì)研發(fā)企業(yè)在稅收、土地使用等方面給予優(yōu)惠，鼓勵(lì)企業(yè)加大研發(fā)投入。設(shè)立專項(xiàng)資金，重點(diǎn)支持關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，引導(dǎo)社會(huì)資本流向量子傳感器領(lǐng)域，加速技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。同時(shí)，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，明確階段性目標(biāo)與重點(diǎn)任務(wù)，為量子傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供清晰指引。
二是加大科研投入與合作。高校、科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)需共同發(fā)力，加大對(duì)基礎(chǔ)敏感材料、產(chǎn)品工藝技術(shù)，以及行業(yè)應(yīng)用研究的資金投入。鼓勵(lì)產(chǎn)學(xué)研深度合作，搭建聯(lián)合研發(fā)平臺(tái)，整合各方資源，攻克技術(shù)難題。例如，科研機(jī)構(gòu)專注于前沿理論研究，高校負(fù)責(zé)人才培養(yǎng)與技術(shù)儲(chǔ)備，企業(yè)則將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，加速量子傳感器技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)程。
三是加強(qiáng)人才培養(yǎng)與引進(jìn)。高校應(yīng)優(yōu)化相關(guān)學(xué)科設(shè)置，增設(shè)量子傳感器相關(guān)專業(yè)課程，培養(yǎng)具備量子物理、材料科學(xué)、電子工程等多學(xué)科知識(shí)的復(fù)合型人才。同時(shí)，出臺(tái)人才引進(jìn)政策，吸引海外高端人才回國(guó)投身量子傳感器研發(fā)，提升我國(guó)人才隊(duì)伍的整體實(shí)力，為技術(shù)創(chuàng)新提供智力支持。
四是建立標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系。行業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)等相關(guān)主體，加快制定量子傳感器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)規(guī)范。明確產(chǎn)品性能指標(biāo)、檢測(cè)方法、質(zhì)量控制等方面的標(biāo)準(zhǔn)，確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性與可靠性，促進(jìn)市場(chǎng)健康有序發(fā)展，提升量子傳感器產(chǎn)品和技術(shù)在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
五是拓展應(yīng)用場(chǎng)景與市場(chǎng)。鼓勵(lì)企業(yè)積極開展市場(chǎng)調(diào)研，深入挖掘各行業(yè)的潛在需求，拓展應(yīng)用場(chǎng)景。加強(qiáng)與下游企業(yè)合作，共同開發(fā)定制化解決方案，推動(dòng)量子傳感器在新興領(lǐng)域的應(yīng)用，如智能安防、量子計(jì)算輔助監(jiān)測(cè)等，培育新的市場(chǎng)增長(zhǎng)點(diǎn)，擴(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模。
六是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。構(gòu)建完善的創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)鏈，加強(qiáng)上下游企業(yè)之間的協(xié)同合作。上游材料供應(yīng)商與中游器件制造商緊密配合，保障原材料的穩(wěn)定供應(yīng)與質(zhì)量提升；中游制造商與下游應(yīng)用企業(yè)深度溝通，根據(jù)市場(chǎng)需求優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)與性能，形成產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)相互促進(jìn)、協(xié)同發(fā)展的良好局面，為我國(guó)量子傳感器產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
作者丨九三中央科技委副主任；中國(guó)傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟常務(wù)副理事長(zhǎng) 郭源生
編輯丨張心怡美編丨馬利亞監(jiān)制丨連曉東
