量子精密测量赋能能源系统

1. 背景及全文概述

在当前的能源生产、传输、存储和消耗的全生命周期中，传感器是维持系统运转的核心基础设备。然而，随着能源系统复杂度的指数级上升，传统经典传感器在灵敏度、分辨率和精度上已接近其物理极限，难以满足高保真数据的采集需求。量子传感技术通过量子力学现象，实现突破经典物理极限的测量，具有极高的稳定性、自校准能力，能够实现更高的精度提升。

在商业化进程方面，量子传感器市场已进入实质性增长阶段。据统计，2024年全球量子传感器市场规模接近4亿美元，预计2024至2032年的复合年增长率（CAGR）将达到15.7%。这一增长主要受全球政府在量子信息科学（QIS）领域的巨额投资，以及自动驾驶、医疗、国防和航空航天等高技术行业的溢出需求所驱动。

目前，主流的量子传感技术平台主要包括以下五类：

• 量子重力仪：利用量子比特，在地下环境中实现低于 10^-9 m/s² 的重力加速度灵敏度测量。其具备自校准功能，运行期间无需漂移估计。

• 原子钟：依赖特定原子（如铯、铷、铝等）能级跃迁率进行精确计时，最高精度可达 10^-18。已从大型实验室设备发展至尺寸仅约40毫米的低功耗芯片级原子钟。

• 量子激光雷达：利用光子的量子纠缠特性，实现高度噪声抑制，提供优于经典系统的空间分辨率和单光子检测灵敏度。

• 量子磁力计：基于原子蒸汽、超导量子干涉器件（SQUID）或金刚石氮空位（NV）色心，实现 fT/Hz^1/2 级别的磁场灵敏度。

• 光纤耦合量子传感器：结合光纤的远程传输能力与量子态（如纠缠态、压缩态），可突破散粒噪声极限，实现分布式高精度传感。

从实验室走向能源现场部署，量子传感器仍面临可靠性、体积、功耗及成本等核心工程挑战。

2. 应用场景总结

场景一：智能电网高精度感知

智能电网、微电网以及分布式能源的接入，对电网的感知精度和时序同步精度提出了极为苛刻的物理要求。目前已有多种量子技术应用于电网态势感知：高精度电流传感器：量子电流传感器解决了传统传感器固有的磁芯饱和与非线性物理瓶颈，通过直接读取电流诱发磁场对量子能级影响，实现了从毫安级微小漏电流到万安培的超宽动态范围绝对物理量测量，具备极高的频响带宽和近乎为零的长期物理漂移。可溯源超宽频电场感知：利用里德堡原子传感技术进行电网局部放电监测，其优势在于探头采用了完全去金属化的全光介质设计，在超高压环境中具备极其优异的绝缘安全性和抗强电磁干扰能力，还能利用量子效应实现从低频到特高频（UHF）甚至太赫兹的超宽带绝对电场测量，克服了传统金属天线频带受限、易畸变电场以及长期零点漂移的物理瓶颈，已被业界明确视为下一代电网无源智能化感知的颠覆性技术储备。此外，量子精密测量技术还可用于高精度时间基准，还可用于高精度时间基准，实现无卫星信号时的精准授时。

场景二：温室气体检测

量子精密测量技术能用于地下储层动态重力勘测：在碳捕集与封存（CCS）领域，利用高精度重力仪进行地下二氧化碳注入和封存监测，是一项极其经典且已在国际上实现商业化的大规模应用。目前时移微重力监测目前已成为国际大型 CCS 项目的标准物探辅助手段。此外，单光子量子雷达、光学频率梳等已被证明能够用于大气温室气体监控，能够大范围内同时识别包括CO₂在内的多种气体，有效探测和成像痕量甲烷气体泄漏。

场景三：新能源汽车管理与导航

电动汽车的发展不仅是交通工具的革新，更是助力国家双碳战略落实的关键。量子磁测量技术能够实现电池全生命周期状态（SOC/SOH）高精度监测：目前电池管理系统（BMS） 估算依赖传统传感器，其零点漂移会随着时间不断累积，最终导致仪表盘电量“虚标”或断崖式掉电。量子测量具有物理学上的绝对稳定性和极低的零漂，能够为 SOC 算法提供长期免校准的高准确数据，极大提升续航里程预测的真实性。此外，量子测量技术在自动驾驶的量子增强视觉与定位导航等方面亦有应用前景。

场景四：可再生能源优化

太阳能、风能的效率优化以及上游电池材料的供应链安全，同样需要更精密的物理勘探手段：光伏材料与器件的非破坏性表征：在光伏电池缺陷定位环节，量子钻石显微镜（QDM）能够在微观尺度上对光伏器件内部的局部磁场（即电流路径）进行高分辨率空间成像，精准定位缺陷或失效位点。能源基础设施的地质灾害监控：核电站等敏感设施的物理安全需要预见性的地质监控，量子重力仪能够比经典地震仪更快速地捕捉到地壳断层破裂引发的重力异常，并迅速估算地震震级。此外，量子雷达能够用于太阳能和风能资源测绘。

NV色心量子传感器

基于金刚石NV色心电流传感器，已应用于智能电网高精度感知场景，在特高压输电工程及变电站落地，具备非接触、宽量程、高精度特点；在新能源汽车电池管理上，能够实现对电池状态的精准评估；基于NV色心的量子磁成像技术，则适用于可再生能源核心光伏材料检测，用于新能源电池与光伏器件缺陷电流定位，助力提升新能源电池组件的检测效率与可靠性。

磁浮微振重力仪

磁浮微振重力仪，可用于地下流体监测与地质结构探测，在碳封存场景中能够清晰捕捉地层密度变化。同时适用于核电站等关键能源设施的地质灾害预警。

量子微波场强仪

基于里德堡原子的量子精密测量技术，能够监测电场强度的绝对量值，无需定期校准，适用于高压设备状态监测、电磁环境测试等场景，提供高动态范围的电场感知能力。

参考文献：

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).