量子传感器，新突破！

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多个行业有望受益于量子传感创新。

与传统传感器相比，量子传感器的灵敏度大幅提升，甚至能够实现全新的传感功能。预计多个行业将受益于量子传感创新，包括原子钟、量子磁力仪、量子陀螺仪等。

然而，将量子传感器从实验室原型转化为商业产品需要优化其尺寸、重量、功率和成本（简称 SWaP-C）。正如 IDTechEx 最近的一份报告所探讨的那样，实现这一目标的最成功方法是尽可能多地在高度可扩展的半导体制造工艺中制造传感器。通过现在更高效地生产量子传感所必需的组件，那些融入价值链的半导体工厂将获得最大的回报。

蒸汽室是许多量子传感器的核心

玻璃蒸汽室使激光能够与所含的原子气体样本相互作用。它们是使用原子干涉法的量子传感器的核心。这些传感器包括早期的量子射频传感器、加速度计和陀螺仪，也包括更先进的芯片级原子钟和 OPM（光泵磁力计）。蒸汽室的可扩展制造对于这些量子传感器的大规模生产至关重要。

吹制玻璃是制造蒸汽室的传统技术，虽然吹制玻璃可用于微制造球形蒸汽室，但是其曲面会散射入射光，因此其制造尺寸的微小程度存在限制。

相反，在晶圆级半导体制造工艺中生产蒸汽室已经得到证实，并有可能为量子传感器批量生产高度规则的蒸汽室。该工艺涉及将每个单元腔蚀刻到玻璃晶片中，然后用原子物种填充该晶片，然后与另一个玻璃表面粘合以实现密封。该领域充满了创新，包括使用替代玻璃、各种蚀刻和粘合技术以及保护或增强性能的薄膜涂层。

激光技术的进步对于量子传感器至关重要

量子传感器中最常用的组件之一是激光器。相干窄带光对于操纵金刚石中的原子状态和氮空位中心至关重要。然而，在降低激光器尺寸和成本的同时，保持所需波长的稳定性和功率是一项艰巨的任务。激光技术的创新影响着量子技术以外的行业，包括电信、医疗设备、激光雷达等。

垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 是一种可在晶圆级上大规模制造的半导体激光二极管。与传统的边发射半导体激光器不同，VCSEL 会从芯片中直接发射出垂直于其顶面的光束。除了制造和测试方面的优势外，这还允许将其他组件直接堆叠在 VCSEL 顶部，从而实现芯片级量子传感器。

尽管 VCSEL 发明于 20 世纪 70 年代末，但随着 2010 年代末 VCSEL 在智能手机中的应用，以及其在汽车红外摄像头和数据中心互连中的广泛应用，近年来 VCSEL 的需求大幅增长。VCSEL 在其他应用中的普及直接惠及气体激光雷达等量子成像技术，这些技术也需要紧凑型聚焦 SWIR（900-1550nm）光源。

然而，用于原子量子传感器的 VCSEL 的要求略有不同。控制相关原子跃迁所需的波长通常在 700-900nm 范围内，并且通常需要窄线宽和对环境变化的高稳定性。

尽管如此，微波芯片级原子钟已经通过使用 VCSEL 和微加工蒸汽室成功实现量产。随着量子传感市场的成熟，VCSEL 等芯片级激光二极管将成为实现芯片级量子陀螺仪、加速度计和下一代原子钟的关键。

诸如 Trumpf 等老牌公司以及 III-V Epi 和 ICS（集成化合物半导体）等衍生公司现已专门为量子传感市场开发了 VCSEL。将主要半导体工厂的能力与激光技术的创新相结合将成为实现量子传感器商业化的关键。

鸡和蛋的问题

量子传感器以及更广泛的量子技术的专用组件面临着一个反复出现的问题：高昂的生产成本限制了最终产品的目标市场，这反过来又限制了生产规模的扩大以降低成本。

最近从研究中衍生出来的量子技术通常依赖于小批量制造专用组件，这些组件要么在内部完成，要么在当地研究机构完成。由于控制高度敏感的量子系统需要达到一定的精度，因此使用更便宜的现有组件通常不是一种选择。

晶圆级蒸汽电池制造的最大障碍是实现量产所需的规模。目前，这种复杂、多阶段工艺的小批量制造成本很高，而且蒸汽电池除了量子传感之外，还有相对小众的应用。

为了解决这一问题，业界正在发起一些举措，将产学研结合起来，支持新兴量子技术的半导体制造发展。将生产设施集中到“量子代工厂”是一种更有效的解决方案，而促进量子行业内部的对话可以减少在内部开发组件上花费的资源，从而更快地实现可扩展生产。

市场前景和未来

通过蒸汽室和垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 制造方面的创新，原子钟的芯片级微型化已经实现。例如，Microchip 自 2011 年以来使用这些组件实现了芯片级微波（铯和铷）原子钟的商业化，为其他量子传感器向量产过渡提供了蓝图。

展望未来，半导体代工厂有机会成为量子传感器价值链中的关键参与者。现在投资降低量子传感器的制造成本，可以在不久的将来打开更大的可进入市场。这些潜在市场源于对更好的传感解决方案的实际需求，包括计时、磁场（远程电流）传感和惯性传感，这些都可以通过量子传感器实现。

https://www.ept.ca/2025/04/quantum-sensors-move-from-lab-to-chip/

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