一、量子感測原理與優勢
當前常用的感測技術是奠基於古典物理，日常生活中的感測器（Sensor）可以將收集到的資訊，像是溫度、光、顏色、氣壓、磁力、速度、加速度、生物物質（生物感測器），轉換成可讀取的電訊號。感測器技術特性各有不同，其限制包含對環境條件（如溫度、濕度）的敏感、測量範圍有限、精度受物體特性影響、以及容易受外部干擾等，有時會導致量測出來的結果有差異，經常需要透過校正來提升精度。
量子感測的原理在於利用量子糾纏（Entanglement）、疊加態（Superposition）等量子力學原理，從單一原子層級擷取極為微弱的物理訊號進行量測，而非像傳統物理那樣從大量原子平均化的行為中取得資訊，因此可以實現超高精度、靈敏度和穩定性的測量。其主要技術優勢包括：
1.提升感測精度：以高度的靈敏度與精度，測量磁場、電場、時間和慣性測量所需的資訊。
2.實現非接觸式測量：可以實現不直接接觸物體的情況下進行測量，可應用在醫療診斷等領域。
3.不易受環境干擾：量子導航可在不依賴GPS等外部訊號下，實現高精度導航，因此不易受干擾。另外量子感測器可以量測地球的重力與磁場，來偵測極細微的運動變化與電磁脈衝。像是高靈敏度的重力儀與磁力計可偵測異常，並與現有資料進行比對，進而在無需衛星通訊的狀況下精準導航。
4.協助測量裝置的小型化：因量子感測器利用量子現象（Quantum Phenomena），具備了能在奈米尺度上打造高靈敏度裝置的能力。透過材料科學的演進，例如鑽石中的NV-centers（Nitrogen-Vacancy Center；氮-空位中心）的應用，以及糾錯（Error Correction）等技術，可以實現縮小感測器體積與提升裝置效能。
二、量子感測應用範疇與大廠研發動態
（一）量子感測應用範疇與應用裝置
針對量子感測應用的範疇，以下分為五個應用領域進行說明：1. 影像感測：著重在補強現有影像處理以提高解析度。2. 重力偵測：可提升地球環境偵測的靈敏度，協助地質變動時的提前預警。3. 化學感測器：可協助偵測微弱的化學反應變化，提升環境、醫療等科學研究分析成果之用。4. 磁力偵測：可用於偵測微弱磁場，在GPS無法提供服務的環境下，協助導航。 5. 原子鐘：原子的量子躍遷來進行時間測量，可提高計時能力的精度。
1.影像感測：利用光子或原子的特性來產生高解析度影像，廣泛應用於醫學影像、材料分析與監控系統。目前量子影像感測器正在被研發以應用於核磁共振成像（MRI）系統。未來的量子 MRI 將依賴電磁場的「量子糾纏」現象來生成比傳統 MRI 更高解析度的影像。現有的 MRI 掃描儀是透過強磁場、磁場梯度與無線電波來產生影像。「量子幽靈成像（Quantum ghost imaging）」是實現量子 MRI 的一種可能技術路徑，該技術使用成對的「糾纏光子」，其中僅有一個光子與物體實際互動。為了識別這些糾纏光子對（Photon pairs），必須進行極為精確的時間校對，當成對光子被偵測到後，就可以重建出影像。
2.重力偵測：重力計（Gravitometers）用來測量重力場，主要應用於地球物理與導航用途，例如地下結構探測、檢測微小地殼運動來支援地震預警系統、或無 GPS 環境下的定位。而像是冷原子干涉儀（Cold Atom Interferometry）利用原子波函數的振幅與相位特性，精確量測原子在干涉儀兩臂路徑間移動時所累積的相位差。由於慣性或重力等物理效應會影響相位差，因此干涉儀可作為一種高精度的慣性測量工具，可進一步應用於重力計、重力偏差計（Gravity Gradiometer）、加速度計（Accelerometer）與陀螺儀（Gyroscope）等裝置的建構，測量地質變動的狀況，在太空衛星中，該儀器可用於量測作用在衛星上的非重力加速度，有助於提供相關科學研究分析。
3.化學感測器：利用Qubit，例如光子、離子或中性原子，與化學物質互動，進而偵測其性質的變化。這類感測器運用量子糾纏與干涉等技術，可用來偵測特定化學物質，應用於環境監測、醫療診斷與食品檢測。
4.磁力偵測：磁力計（Magnetometers）透過原子或離子的特性來測量磁場，應用於地質探勘、氣候和環境研究、醫學診斷與材料科學等領域。如鑽石磁力計（Diamond magnetometers）在無需依賴 GPS 衛星訊號，甚至在有環境雜訊干擾的情況下，為各式載具與平台提供更強大的導航能力。
5.原子鐘：原子鐘（Atomic clocks）利用透過銫（Cesium）或銣（Rubidium）等原子的量子躍遷來進行時間測量，提供極高精度的計時能力，是 GPS、電信與導航系統的核心元件。
（二）大廠研發動態
1.Lockheed Martin
Lockheed Martin公司產品策略主要以國防應用優先，專注於量子重力感測器和磁場感測器，主要應用於軍事領域，如潛艇探測、隱形目標識別和無GPS導航。目前公司合作對象主要是和美國國防部和NASA，共同開發具備量子功能的慣性導航系統（Quantum-Enabled Inertial Navigation System, QuINS）原型。研究人員預計這項創新技術有機會能徹底革新作戰人員的導航能力，使軍隊即使在無法使用 GPS 的環境中，也能透過此種量子慣性導航系統提供高度精確的定位資訊。未來的作戰人員將可同時結合GPS與QuINS技術，在各種威脅環境中保持高度精準的導航能力。
QuINS的技術合作夥伴包括澳洲Q-CTRL與美國AOSense。Q-CTRL 專注於開發用於控制與穩定量子系統的先進軟體解決方案。而AOSense為開發高性能量子感測器的專家，應用範圍涵蓋定位、導航與PNT（Positioning、Navigation、Timing）系統。Lockheed Martin透過整合Q-CTRL和AOSense的專業，加上自身在感測器抗環境干擾設計、平台轉換與傳統PNT領域的豐富經驗，共同打造一套完整且穩健的感測解決方案。
2.Q-CTRL
Q-CTRL是一家來自於澳洲的量子科技公司，研發聚焦在量子控制軟體和硬體解決方案，透過優化量子系統的穩定性和性能，強化量子感測器的實用性。公司技術主要針對國防、航太和導航領域，開發高精度量子感測器，並支援無GPS導航和環境監測。其中該公司所開發BOULDER OPAL平台，可用於改善量子感測器的噪音抑制和訊號處理，提升感測精度。2025年7月，Q-CTRL 與澳洲國防部合作，在皇家海軍航空訓練艦上完成了全球首次海上量子重力導航系統實測。該系統能在 GPS 不可用，或是遭到干擾的環境下提供精準定位，此系統能夠連續運作達 144 小時，功耗僅 180W，創下量子重力導航系統在尺寸與能耗的新紀錄。相較傳統導航技術，此系統性能提升高達50 倍，並具備抗GPS欺騙干擾能力，特別適用於中東等高風險海域。
資料來源： Q-CTRL(2025/07)
圖一 Q-CTRL海上量子重力導航系統
在太空領域方面，Q-CTRL正與Fleet Space Technologies合作，開發可部署於奈米衛星的量子感測器，產品目標包括登月任務中的水資源探勘、火星地下液態水重力測量，以及太空中的精準導航與定時系統，同時此技術也被美國國防創新部門（DIU；Defense Innovation Unit）列為未來太空任務的潛力解決方案。
三、半導體技術可協助量子感測技術持續發展
（一）半導體材料可作為量子感測器的基礎材料
由於量子感測器需要精確的控制和讀取量子位元，半導體技術提供基礎材料與製造方法，這些可用來建構量子感測裝置。半導體元件，如超導材料、奈米線等，可協助量子位元強化外部訊號控制和讀取，這可以協助裝置利用量子效應來實現高精準度的測量，例如磁場、溫度或重力。
例如半導體材料可作為承載量子感測所需的量子位元的材料基底，這些量子位元通常需要由晶體缺陷來構成，以形成量子感測技術的核心。例如，我們前述所提到的鑽石中的氮-空位中心（NV-centers）就是一種常見的量子位元，能夠進行極高靈敏度的量測。透過鑽石與碳化矽（SiC）等寬能隙半導體材料，這些材料具備優異的物理特性，適合在極端環境下穩定運作，可以藉由這些材料來製造出可作為量子位元與感測器的晶體缺陷。透過精密控制這些原子尺度的晶體缺陷，研究人員可以生成並藉此操控量子位元，進而構建量子感測器的基本架構。
依據M Radulaski等人的研究，碳化矽中的色心（Color Centers）可作為單光子源與自旋量子位元，具備長相干時間((Long Coherence Time))與高穩定性。這些色心能與光子元件整合，透過電磁場調控光與物質的交互作用，實現頻率轉換與非線性光學功能，此外SiC為基礎的量子感測技術具備晶片級可擴展性，適合用於量子通訊與感測系統*（註1）。
氮化鎵（GaN）在材料特性上具備高光學品質與大量結構性缺陷，這些缺陷能在室溫下展現穩定的自旋相干性，此自旋行為對磁場變化具高度敏感性，顯示出氮化鎵在磁場感測與量子位元系統中的潛力*（註2）。
（二）半導體雷射技術可協助提升量子感測的發展
VCSEL（垂直共振腔面射型雷射，Vertical Cavity Surface Emitting Laser）為一種半導體雷射，可以使用晶圓級製程進行大量製造半導體雷射二極體。VCSEL 的光束垂直於晶片表面發射，除了有利於製造與測試，也讓其他元件可以直接透過半導體堆疊在元件上面，實現晶片級量子感測器。VCSEL具備單模輸出與窄頻寬（可低於20 MHz），能精準驅動原子能階躍遷，提升感測靈敏度。例如在原子鐘與磁力計中，VCSEL可作為泵浦光源，對應銣或銫原子的能階躍遷，來提供精準的波長匹配（如795 nm或852 nm）。
（三）半導體製程可用於製作量子感測結構，實現裝置小型化與整合
透過將CMOS（互補金屬氧化物半導體）製程，可協助製作薄膜與奈米光子裝置，如MIT的研究團隊成功將N-V中心整合至CMOS 架構（圖二），包含微波產生器、光學濾波器與光電偵測器，並封裝在200μm × 200μm的晶片，此晶片可實現室溫下的量子磁感測與熱感測。另外研究團隊也使用金屬層堆疊方式，精準定位導線與柵格結構，實現 ODMR（光學檢測磁共振；Optically Detected Magnetic Resonance ）所需的微波驅動與光學讀出*（註3）。
資料來源： Kim et al., Nature Electronics, 2, 284–289 (2019). DOI: 10.1038/s41928-019-0271-7
圖二 CMOS 整合式量子感測架構
四、結論
現行感測技術廣泛用於消費電子，如智慧手機的加速度計、汽車ABS系統、工業監控（如溫度感測器）..等市場主流應用。雖然這些傳統感測技術精度足夠日常使用，但在更為複雜的研究實體，或是更為惡劣環境下所無法處理極微弱信號，像是軍事探測中的應用，此時量子感測技術即有發揮的空間。
隨著技術研發腳步日益精進，目前量子感測的應用正嘗試從實驗室進入實用化領域。量子感測可適用於需要極高精度的領域，如透過偵測微弱生物磁場醫療成像所繪製的腦磁圖（Magnetoencephalography, MEG）、GPS慣性系統無法使用的國防導航領域，又或是需要更為靈敏與精密的環境監測（如地下水變化、微弱地層活動..等），與材料科學有關的原子缺陷偵測等科學研究，量子感測可以突破傳統感測技術的限制，協助擷取更多重要的研究數據以供分析。
雖然量子感測的優勢在於可以提高測量的精度與敏感性，但量子感測技術的研發也面臨諸多挑戰，包括了需隔離其他雜訊來提高環境敏感性，另外相關技術與設備的製作成本也必須有效降低至實際運用可接受的範圍，才有機會突破商用化的限制，進入到我們的日常應用之中。
然而半導體技術在量子感測領域未來有機會扮演關鍵角色。材料如鑽石、碳化矽與氮化鎵具備穩定的晶體缺陷，可承載量子位元並進行高靈敏度量測。VCSEL 半導體雷射提供穩定光源，有助於原子操控與量子裝置開發。CMOS 製程則能夠促進量子感測器的小型化與整合，實現晶片級磁場與熱感測，推動量子技術實用化與規模化。
註1：M. Radulaski and J. Vuckovic, “Quantum photonics incorporating color centers in silicon carbide and diamond,” E. L. Ginzton Laboratory, Stanford University, 2018.
註2：Spin Coherence in GaN – Awschalom Group, University of Chicago
註3：D. Kim, M. I. Ibrahim, C. Foy, M. E. Trusheim, R. Han, and D. R. Englund, “A CMOS-integrated quantum sensor based on nitrogen–vacancy centres,” Nature Electronics, vol. 2, pp. 284–289, Jun. 2019. doi: 10.1038/s41928-019-0271-7