传感器在日常科技产品中的应用已经变得越来越广泛了，诸如在动作、声音和光线的监测领域，从数十亿枚内置于手机中的低成本运动传感器到应用于医疗保健和地球卫星系统的高端产品，传感器的身影随处可见。
而量子传感器相比于传统产品则实现性能上的“大跃进”：在灵敏度、准确率和稳定性上都有了不止一个量级的提高。也正因此，它的应用场景也变得更加多样，例如在航空航天、气候监测、建筑、国防、能源、生物医疗、安保、交通运输和水资源利用等尖端领域都实现了量子传感器的商业化应用。
而量子传感器的发展并非是一项技术上的单点突破，它带动的是整个生态系统的建立和完善，从工程测量到数据可视化解析，各领域即将涌现的大量工作机会都表明这一趋势已经越来越清晰。
量子传感器的工作原理
一些量子传感器使用原子感知变化，这是因为原子可以被精确地控制和测量。在量子理论中，诸如原子一类的粒子的波状运动特性，使得其可以进行空间扩展。而量子在叠加状态下会表现的对周围环境十分敏感，这一特征是其被用作精密传感器的关键。
例如，在原子干涉仪中，原子被聚集为细小的云状物体。精准地激光脉冲控制这些云状物体的移动。原子的波状特性使其相互进行干扰，犹如水面波纹的运动状态，如果这些原子的运动只受重力影响的话，那么它对重力的感知就会非常精确。
大多数磁场传感器使用的都是嵌入在诸如金刚石和或硅材料中的原子。而光子传感器因为利用光子，故可以检测分子的光学性质以及测量微弱的化学痕迹。我们还可以使用量子技术来提高一些如MEMS（微电子机械系统）经典设备的读出效率。
目前，我们已经可以利用量子传感器来测量加速度、重力、时间、压力、温度和磁场等精确性参数。而在未来，基于量子纠缠现象所开出来的传感器在有效性上可以做到更进一步。
市场应用
以英国为例，在传感器及相关设备领域的从业者已经超过73000人，对经济的年均贡献也超过140亿英镑。单单是一个传感器数据服务所衍生出来的价值就已经是天文数字了，所以整合全产业链的重要性也就不言自明了。
然而，有关量子传感器的想象力还不止于此：量子磁性传感器的发展将大幅降低磁脑成像的成本，有助于该项技术的推广；而用于测量重力的量子传感器将有望改变人们对传统地下勘测工作繁杂耗时的印象；即便在导航领域，往往导航卫星搜索不到的地区，就是量子传感器所提供的惯性导航的用武之地。
▶ 土木工程
地下勘测通常是极其昂贵和耗时的，但在建造新的基础设施时又是必要的，尤其是像高速铁路、核电站这种大型项目在开建之前。实际上有很多地质构造未探明的地下环境都存在诸如下水道、矿井和沉坑之类的危险。
信息不足的代价往往是十分高昂的，工程延迟、超支和重新规划都是家常便饭。英国进行基础设施维护的方法就是每年花费50亿英镑在道路上挖400万个洞，之所以这么做竟然是因为人们不清楚地下设施的具体位置。
而在人们的普遍印象中，任何检查都应该是在地面上进行的，而不需要挖掘坑洞。可现有的雷达、电子检测仪和磁力仪的性能并不能达到理想效果，超过地下几米的物体就很难被探测到了。
遇到这种情况，通常的解决方案就是使用重力感测技术，因为地下埋藏的任何物体的重力发生细微的变化都可以被记录下来并绘制成重力图。但传统重力仪的问题是读数不准确、耗时长且易于受到地面振动的影响。
但如果用量子传感器来进行重力测量就会有明显的优势：速度更快、读数更精确、探测的更深且不受地面振动的影响。这一技术的广泛应用势必会对土木工程行业起到极大的推动作用。
▶ 自然危害预防
在英国有超过500万的家庭所处的位置都面临坍塌和沉降的风险; 英国铁路部门也需要对铁轨周边的积水情况进行实时监控，以防止山体滑坡灾害的出现。而量子传感器就可以很好地在重力图上标记处哪里会有坍塌的风险、哪里的积水过多。
此外，量子光子传感器还可以快捷地识别地表下诸如油料泄漏之类的危害。这一切都基于量子传感器快速扫描的特点，而这也使得常态化的检查成为了可能。
▶ 资源勘探
获取石油和天然气等自然资源的重点在于开采地点的确定，这在美国是一个价值30亿美元的庞大市场。目前主流的勘探形式为地震探测，效果更佳，但更昂贵的重力测量方式只有在人们了解较少的地方才被采用。
但实际上，重力测量高昂成本的很大部分都来自于调整设备，而如今量子增强型MEMS传感器的出现就减少了设备调整的操作，使整个测量工作可以更快推进，连成本也降到了之前的十分之一。
▶ 交通运输和导航
交通运输越发展就越需要了解各种交通工具的准确位置信息及状况，这也就对汽车、火车和飞机所携带的传感器数量提出了要求，卫星导航设备、雷达传感器、超声波传感器、光学传感器等都将逐渐成为标配。
然而有了这些还远远不够，传感器技术的发展也将面对新的挑战。自动驾驶汽车和火车的定位及导航精度被严格要求在10厘米以内; 下一代驾驶辅助系统必须可以随时监测到当地厘米级的危险路况。使用基于冷原子的量子传感器，导航系统不但可以将位置信息精确到厘米，还必须具备在诸如水下、地下和建筑群中等导航卫星触及不到的地方工作的能力。
与此同时，其他类型的量子传感器也在不断发展之中（例如工作在太赫兹波段的传感器），它们可以将道路评估的精度精确到毫米级。此外，最初为原子钟而开发的基于激光的微波源也可以提升机场雷达系统的工作范围和工作精度。
▶ 重力测量
光线测量并不适用于所有的成像工作，作为新的替代补充手段，重力测量可以很好的反映出某一地方的细微变化，例如难以接近的老矿井、坑洞和深埋地下的水气管。用此方法，油矿勘探和水位监测也会变得异常容易。
利用量子冷原子所开发的新型引力传感器和量子增强型MEMS（微电子机械系统）技术要比以前的设备有更高的性能，在商业上也会有更重要的应用。
而低成本MEMS装置也在构想之中，预计它将会只有网球大小，敏感程度要比在智能手机中使用的运动传感器高一百万倍。一旦这项技术成熟，那么大面积的重力场图像绘制也就将成为可能。
MEMS传感器在量子成像读出上至少有几个量级幅度上的进步。来自格拉斯哥大学和桥港大学的研究人员开发了一种Wee-g检测器，可以利用量子光源来改善设备精度，即便是更小的物体也可以被检测到——或有助于雪崩与地震灾害中的救援行动。
冷原子传感器将具有最高的精度，性价比水平也是无出其右，目前尚未有更尖端的技术可以超过它。目前伯明翰大学正在研发RSK和e2v冷原子传感器，将用于日常重力测量。例如帮助建筑行业确定地下的详细状况，减少由于意外危险造成的工程延误，并摆脱对昂贵的勘探挖掘的依赖。
在太空中，冷原子传感器则可以通过检测引力波及验证爱因斯坦的理论来实现新的科学突破。当然了，常规性地球遥感观测也可以通过精确重力测量来实现，监测的范包括地下水储量、冰川及冰盖的变化。
在格拉斯哥大学，研究人员的也在创造一种新的变革性的太空技术，即使用MEMS传感器对航天器的高度进行精细控制，这将有助于增强英国小卫星技术在全世界范围内的竞争力。
▶ 医疗健康
痴呆病：根据阿尔茨海默病协会估计，全世界每年因痴呆病而造成的经济损失约有5000亿英镑，这一数字还在不断增加。而当前基于患者问卷的诊断形式通常会使治疗手段的选择可能性被严重限制，只有做好早期的诊断和干预才可以有更好的效果。
研究人员正在研究一种称为脑磁图描记术（MEG）的技术可用于早期诊断。但问题是该技术目前需要磁屏蔽室和液氦冷却操作，这使得技术推广变得异常昂贵。而量子磁力仪则可以很好地弥补这方面的缺陷，它灵敏度更高、几乎不需要冷却和与屏蔽，更关键的是它的成本更低。
癌症：一种名为微波断层成像的技术已应用于乳腺癌的早期检测多年，而量子传感器则有助于提高这种技术的灵敏度与显示分辨率。与传统的X光不同，微波成像不会将乳房直接暴露于电离辐射之下。
此外，基于金刚石的量子传感器也使得在原子层级上研究活体细胞内的温度和磁场成为了可能，这为医学研究提供了新的工具。
心脏疾病：心律失常通常被看作是发达国家的第一致死杀手，而该病症的病理特征就是时快时慢的不规则心跳速度。目前正在开发中的磁感应断层摄影技术被视作可以诊断纤维性颤动并研究其形成机制的工具，量子磁力仪的出现会大大提升这一技术的应用效果，在成像临床应用、病患监测和手术规划等方面都会大有益处。
技术前瞻
实验已经证明量子传感器在针对重力、旋转、电场和磁场等方面的灵敏度要远远超过常规技术。而我们现在努力的方向就是使它们更加耐用、便携。
而在量子传感器商业化的过程中，有两点值得注意：
· 在学术界和产业之间保持信息沟通顺畅；
· 通过演示量子传感器如何解决现实世界中的问题，来强化商业供应链并建立市场信心。
这些都是英国国家量子技术计划的目标。从结果来看，该项计划在将基础研究商业化的做法都很成功。然而，考虑到该项技术应用的潜在不稳定性，许多公司都不愿进行完整的产品开发。
而英国政府应该建立起创新中心来测试量子传感器并开展相关的应用开发。一旦成形，这些设施将会为量子服务的开发提供肥沃的土壤，并形成一个深深植根于本区域的商业生态系统。
对工程师进行这些新技术的相关培训也是十分必要的，不仅是为了他们能够与用户和市场开展互动，更重要的是清楚他们所面临的挑战。
当然，引导技术公司在公共项目上展开激烈竞争也十分有效，必要的时候可以将他们推向全球竞争的擂台，胜出者所收获的将是巨额的经济利益。一个典型的例子是量子导航器和量子重力成像器已经引发了美国、中国和欧洲的浓厚兴趣，而类似的方案也可以在交通、医疗和灾害预防等领域开展。
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