量子傳感器的定義與特性解析

量子傳感器是根據(jù)量子力學(xué)規(guī)律、利用量子效應(yīng)設(shè)計(jì)的、用于執(zhí)行對(duì)系統(tǒng)被測(cè)量進(jìn)行變換的物理裝置。量子傳感器運(yùn)用了量子態(tài)的極端敏感性，但要使它們切實(shí)可行、落地應(yīng)用是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

一、量子傳感器的定義

一項(xiàng)技術(shù)怎樣才能認(rèn)為是量子技術(shù)？

業(yè)內(nèi)研究員普遍認(rèn)為，遵循量子力學(xué)規(guī)律，利用量子的疊加性與糾纏性等量子效應(yīng)的技術(shù)，都可嚴(yán)格地認(rèn)為是量子技術(shù)。

近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)利用量子力學(xué)的基本屬性，例如量子相干，量子糾纏，量子統(tǒng)計(jì)等特性，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。因此，基于量子力學(xué)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量進(jìn)行高精度的測(cè)量稱為量子傳感。在量子傳感中，電磁場(chǎng)、溫度、壓力等外界環(huán)境直接與電子、光子、聲子等體系發(fā)生相互作用并改變它們的量子狀態(tài)，最終通過(guò)對(duì)這些變化后的量子態(tài)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境的高靈敏度測(cè)量。而利用當(dāng)前成熟的量子態(tài)操控技術(shù)，可以進(jìn)一步提高測(cè)量的靈敏度。因此，這些電子、光子、聲子等量子體系就是一把高靈敏度的量子“尺子”——量子傳感器。

所謂量子傳感器，可以從兩方面加以定義：

（1）利用量子效應(yīng)、根據(jù)相應(yīng)量子算法設(shè)計(jì)的、用于執(zhí)行變換功能的物理裝置;

（2）為了滿足對(duì)被測(cè)量進(jìn)行變換，某些部分細(xì)微到必須考慮其量子效應(yīng)的變換元件。

不管從哪個(gè)方面定義，量子傳感器都必須遵循量子力學(xué)規(guī)律?？梢哉f(shuō)，量子傳感器就是根據(jù)量子力學(xué)規(guī)律、利用量子效應(yīng)設(shè)計(jì)的、用于執(zhí)行對(duì)系統(tǒng)被測(cè)量進(jìn)行變換的物理裝置。

比如量子雷達(dá)技術(shù)，就運(yùn)用了量子糾纏原理。根據(jù)物理學(xué)家SethLloyd的理論方案，這個(gè)過(guò)程包括將一系列糾纏光子對(duì)中的一半從一個(gè)物體上彈回來(lái)，然后將返回的光子與被阻擋的光子進(jìn)行比較。這樣做的目的是將最初發(fā)出的輻射與強(qiáng)噪聲源區(qū)分開來(lái)，發(fā)現(xiàn)隱形飛機(jī)等普通雷達(dá)無(wú)法探測(cè)到的物體，并將雷達(dá)操作員隱藏起來(lái)

與蓬勃發(fā)展的生物傳感器一樣，量子傳感器應(yīng)由產(chǎn)生信號(hào)的敏感元件和處理信號(hào)的輔助儀器兩部分組成，其中敏感元件是傳感器的核心，它利用的是量子效應(yīng)。

二、量子傳感器的特性

傳感器的性能品質(zhì)主要從準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和靈敏度等方面加以評(píng)價(jià)。結(jié)合量子傳感器的自身特點(diǎn)，可以從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮量子傳感器的性能：

（1）非破壞性：

在量子控制中，由于測(cè)量可能會(huì)引起被測(cè)系統(tǒng)波函數(shù)約化，同時(shí)，傳感器也可能引起系統(tǒng)狀態(tài)變化，因此，在測(cè)量中，要充分考慮量子傳感器與系統(tǒng)的相互作用。因?yàn)榱孔涌刂浦械臓顟B(tài)檢測(cè)與經(jīng)典控制中的狀態(tài)檢測(cè)存在本質(zhì)上的不同，測(cè)量可能引起的狀態(tài)波函數(shù)約化過(guò)程暗示了對(duì)狀態(tài)的測(cè)量已經(jīng)破壞了狀態(tài)本身，因此，非破壞性是量子傳感器應(yīng)重點(diǎn)考慮的方面之一。在進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)時(shí)，可以考慮將量子傳感器作為系統(tǒng)的一部分加以考慮，或者作為系統(tǒng)的擾動(dòng)，將傳感器與被測(cè)對(duì)象相互作用的哈密頓考慮在整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的演化之中;

（2）實(shí)時(shí)性：

根據(jù)量子控制中測(cè)量的特點(diǎn)，特別是狀態(tài)演化的快速性，使得實(shí)時(shí)性成為量子傳感器品質(zhì)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。實(shí)時(shí)性要求量子傳感器的測(cè)量結(jié)果能夠較好的與被測(cè)對(duì)象的當(dāng)前狀態(tài)相吻合，必要時(shí)能夠?qū)Ρ粶y(cè)對(duì)象量子態(tài)演化進(jìn)行跟蹤，在設(shè)計(jì)量子傳感器時(shí)，要考慮如何解決測(cè)量滯后問(wèn)題;

（3）靈敏性：

由于量子傳感器的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀對(duì)象被測(cè)量的變換，要求對(duì)象微小的變化也能夠被捕捉，因此，在設(shè)計(jì)量子傳感器時(shí)，要考慮其靈敏度能夠滿足實(shí)際要求;

（4）穩(wěn)定性：

在量子控制中，被控對(duì)象的狀態(tài)易受環(huán)境影響，量子傳感器在探測(cè)對(duì)象量子態(tài)時(shí)也可能引起對(duì)象或傳感器本身狀態(tài)的不穩(wěn)定，解決的辦法是引入環(huán)境工程的思想，考慮用冷卻阱、低溫保持器等方法加以保護(hù);

（5）多功能性：

量子系統(tǒng)本身就是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間或傳感器與系統(tǒng)之間都易發(fā)生相互作用，實(shí)際應(yīng)用時(shí)總是期望減少人為影響和多步測(cè)量帶來(lái)的滯后問(wèn)題，因此，可以將較多的功能，如采樣、處理、測(cè)量等集成在同一量子傳感器上，并將合適的智能控制算法融入其中，設(shè)計(jì)出智能型的、多功能量子傳感器。

量子傳感器具有許多經(jīng)典傳感器所不具有的性質(zhì)，設(shè)計(jì)量子傳感器時(shí)，在重點(diǎn)考慮將量子領(lǐng)域不可直接測(cè)量量變換成可測(cè)量量外，還應(yīng)從非破壞性、實(shí)時(shí)性、靈敏性、穩(wěn)定性、多功能性等方面對(duì)量子傳感器的性能加以評(píng)估。

三、量子傳感器的應(yīng)用

隨著量子控制研究的深入，對(duì)敏感元件的要求將越來(lái)越高，傳感器自身的發(fā)展也有向微型化、量子型發(fā)展的趨勢(shì)，量子效應(yīng)將不可避免的在傳感器中扮演重要角色，各種量子傳感器將在量子控制、狀態(tài)檢測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用。

①、微小壓力測(cè)量

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）已經(jīng)研制出一種壓力傳感器，可以有效地對(duì)盒子里的顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)。該裝置通過(guò)測(cè)量激光束穿過(guò)氦氣腔和真空腔時(shí)產(chǎn)生的拍頻來(lái)比較真空腔和氦氣腔的壓力。氣體中激光頻率的微小變化，以保持共振駐波反映了壓力的微小變化（因?yàn)閴毫Ω淖冋凵渎剩?/p>

該量子壓力傳感器，加上氦折射率的第一原理計(jì)算，可以作為壓力標(biāo)準(zhǔn)，取代笨重的水銀壓力計(jì)。還可能應(yīng)用于校準(zhǔn)半導(dǎo)體鑄造廠的壓力傳感器，或作為非常精確的飛機(jī)高度計(jì)。

②、精準(zhǔn)重力測(cè)量

光線測(cè)量并不適用于所有的成像工作，作為新的替代補(bǔ)充手段，重力測(cè)量可以很好的反映出某一地方的細(xì)微變化，例如難以接近的老礦井、坑洞和深埋地下的水氣管。用此方法，油礦勘探和水位監(jiān)測(cè)也會(huì)變得異常容易。

利用量子冷原子所開發(fā)的新型引力傳感器和量子增強(qiáng)型MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)要比以前的設(shè)備有更高的性能，在商業(yè)上也會(huì)有更重要的應(yīng)用。

而低成本MEMS裝置也在構(gòu)想之中，預(yù)計(jì)它將會(huì)只有網(wǎng)球大小，敏感程度要比在智能手機(jī)中使用的運(yùn)動(dòng)傳感器高一百萬(wàn)倍。一旦這項(xiàng)技術(shù)成熟，那么大面積的重力場(chǎng)圖像繪制也就將成為可能。

MEMS傳感器在量子成像讀出上至少有幾個(gè)量級(jí)幅度上的進(jìn)步。來(lái)自格拉斯哥大學(xué)和橋港大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種We-g檢測(cè)器，We-g是一種基于MEMS的重力儀，它比傳統(tǒng)的重力傳感器輕得多，而且可能比傳統(tǒng)的重力傳感器便宜得多。

We-g傳感器利用量子光源來(lái)改善設(shè)備精度，即便是更小的物體也可以被檢測(cè)到——或有助于雪崩與地震災(zāi)害中的救援行動(dòng)，以及幫助建筑行業(yè)確定地下的詳細(xì)狀況，減少由于意外危險(xiǎn)造成的工程延誤，并擺脫對(duì)昂貴的勘探挖掘的依賴。

另外，常規(guī)性地球遙感觀測(cè)也可以通過(guò)精確重力測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)的范包括地下水儲(chǔ)量、冰川及冰蓋的變化。

③、量子傳感器探測(cè)無(wú)線電頻譜

美國(guó)陸軍研究人員研制出了一款新型量子傳感器，可以幫助士兵探測(cè)整個(gè)無(wú)線電頻譜——從0到100吉赫茲（GHz）的通信信號(hào)。

新型量子傳感器非常小巧，幾乎無(wú)法被其他設(shè)備探測(cè)到，有望讓士兵們?nèi)缁⑻硪?，如可用作通信接收器?/p>

盡管里德堡原子擁有廣譜靈敏度，但科學(xué)家迄今從未對(duì)整個(gè)運(yùn)行波段的靈敏度進(jìn)行定量描述。

相比于傳統(tǒng)接收器，新量子傳感器體積更小，而且其靈敏度可與其他電場(chǎng)傳感器技術(shù)——如電光晶體和偶極天線耦合的無(wú)源電子設(shè)備等相媲美。

目前，陸軍科學(xué)家計(jì)劃進(jìn)一步錘煉最新技術(shù)，提高這款量子傳感器的靈敏度，使其能探測(cè)到更弱的信號(hào)，并擴(kuò)展用于探測(cè)更復(fù)雜波形的協(xié)議。

然而，有關(guān)量子傳感器的想象力還不止于此：量子磁性傳感器的發(fā)展將大幅降低磁腦成像的成本，有助于該項(xiàng)技術(shù)的推廣；而用于測(cè)量重力的量子傳感器將有望改變?nèi)藗儗?duì)傳統(tǒng)地下勘測(cè)工作繁雜耗時(shí)的印象；即便在導(dǎo)航領(lǐng)域，往往導(dǎo)航衛(wèi)星搜索不到的地區(qū)，就是量子傳感器所提供的慣性導(dǎo)航的用武之地。

④、醫(yī)療健康

癡呆?。焊鶕?jù)阿爾茨海默病協(xié)會(huì)估計(jì)，全世界每年因癡呆病而造成的經(jīng)濟(jì)損失約有5000億英鎊，這一數(shù)字還在不斷增加。而當(dāng)前基于患者問(wèn)卷的診斷形式通常會(huì)使治療手段的選擇可能性被嚴(yán)重限制，只有做好早期的診斷和干預(yù)才可以有更好的效果。

研究人員正在研究一種稱為腦磁圖描記術(shù)（MEG）的技術(shù)可用于早期診斷。但問(wèn)題是該技術(shù)目前需要磁屏蔽室和液氦冷卻操作，這使得技術(shù)推廣變得異常昂貴。而量子磁力儀則可以很好地彌補(bǔ)這方面的缺陷，它靈敏度更高、幾乎不需要冷卻和與屏蔽，更關(guān)鍵的是它的成本更低。

癌癥：一種名為微波斷層成像的技術(shù)已應(yīng)用于乳腺癌的早期檢測(cè)多年，而量子傳感器則有助于提高這種技術(shù)的靈敏度與顯示分辨率。與傳統(tǒng)的X光不同，微波成像不會(huì)將乳房直接暴露于電離輻射之下。

此外，基于金剛石的量子傳感器也使得在原子層級(jí)上研究活體細(xì)胞內(nèi)的溫度和磁場(chǎng)成為了可能，這為醫(yī)學(xué)研究提供了新的工具。

心臟疾?。盒穆墒СＭǔ１豢醋魇前l(fā)達(dá)國(guó)家的第一致死殺手，而該病癥的病理特征就是時(shí)快時(shí)慢的不規(guī)則心跳速度。目前正在開發(fā)中的磁感應(yīng)斷層攝影技術(shù)被視作可以診斷纖維性顫動(dòng)并研究其形成機(jī)制的工具，量子磁力儀的出現(xiàn)會(huì)大大提升這一技術(shù)的應(yīng)用效果，在成像臨床應(yīng)用、病患監(jiān)測(cè)和手術(shù)規(guī)劃等方面都會(huì)大有益處。

⑤、交通運(yùn)輸和導(dǎo)航

交通運(yùn)輸越發(fā)展就越需要了解各種交通工具的準(zhǔn)確位置信息及狀況，這也就對(duì)汽車、火車和飛機(jī)所攜帶的傳感器數(shù)量提出了要求，衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備、雷達(dá)傳感器、超聲波傳感器、光學(xué)傳感器等都將逐漸成為標(biāo)配。

然而有了這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，傳感器技術(shù)的發(fā)展也將面對(duì)新的挑戰(zhàn)。自動(dòng)駕駛汽車和火車的定位及導(dǎo)航精度被嚴(yán)格要求在10厘米以內(nèi);下一代駕駛輔助系統(tǒng)必須可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)到當(dāng)?shù)乩迕准?jí)的危險(xiǎn)路況。使用基于冷原子的量子傳感器，導(dǎo)航系統(tǒng)不但可以將位置信息精確到厘米，還必須具備在諸如水下、地下和建筑群中等導(dǎo)航衛(wèi)星觸及不到的地方工作的能力。

與此同時(shí)，其他類型的量子傳感器也在不斷發(fā)展之中（例如工作在太赫茲波段的傳感器），它們可以將道路評(píng)估的精度精確到毫米級(jí)。此外，最初為原子鐘而開發(fā)的基于激光的微波源也可以提升機(jī)場(chǎng)雷達(dá)系統(tǒng)的工作范圍和工作精度。

四、量子傳感器革命還有多遠(yuǎn)？

許多專家說(shuō)，世界正處在第二次量子革命的邊緣。能量量子化通過(guò)晶體管和激光為人類帶來(lái)了現(xiàn)代電子技術(shù)，但隨著人類操縱單個(gè)原子和電子的能力迅速發(fā)展，可能會(huì)改變通訊、能源、醫(yī)藥和國(guó)防等行業(yè)。這在英國(guó)和歐盟為了將尋求將量子技術(shù)商業(yè)化引發(fā)了大資金的特殊項(xiàng)目，同時(shí)在美國(guó)最近頒布了國(guó)家量子計(jì)劃（美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)是其中創(chuàng)始合伙人），并且中國(guó)和其他國(guó)家將花費(fèi)數(shù)十億美元在未來(lái)幾年進(jìn)行相關(guān)研究。

美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室傳感器與電子設(shè)備局物理學(xué)家QudsiaQuraishi博士指出，下一代精確傳感系統(tǒng)涉及量子傳感器，量子傳感器基于激光冷卻原子，極可能大幅提升系統(tǒng)性能。激光冷卻原子是小型相干氣體原子，可以測(cè)量重力場(chǎng)或磁場(chǎng)變化，不僅非常精確，而且靈敏度很高。

許多從事量子傳感器研究的科學(xué)家都成立了公司來(lái)將他們的技術(shù)商業(yè)化，但很少有真正的產(chǎn)品上市。

其實(shí)在量子技術(shù)中，人們談?wù)撟疃嗟氖橇孔佑?jì)算機(jī)。理論上，量子計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大，可以在短短幾分鐘內(nèi)破解互聯(lián)網(wǎng)安全的底層代碼。但是全尺寸量子計(jì)算機(jī)的問(wèn)世可能還需要幾十年的時(shí)間。相比之下，利用量子現(xiàn)象加密而非破解密碼的設(shè)備正開始出現(xiàn)在市場(chǎng)上。

不過(guò)，許多科學(xué)家相信量子將在傳感領(lǐng)域獲得第一次真正的商業(yè)成功。這是因?yàn)閭鞲锌梢岳昧孔佑?jì)算機(jī)的一個(gè)特性：量子態(tài)對(duì)環(huán)境異常敏感，而這正是制造量子計(jì)算機(jī)如此困難的原因。無(wú)論它們是對(duì)被埋物體的引力做出反應(yīng)，還是接收人類大腦的磁場(chǎng)，量子傳感器都能探測(cè)到來(lái)自周圍世界的各種微弱信號(hào)。英國(guó)伯明翰大學(xué)的物理學(xué)家KaiBongs說(shuō)他認(rèn)為，特別是重力測(cè)量量子傳感器，“將很快得到更廣泛的應(yīng)用”，其潛在市場(chǎng)可能達(dá)到每年10億美元。

然而，除了某些瞄準(zhǔn)機(jī)會(huì)的市場(chǎng)外，量子傳感器的競(jìng)爭(zhēng)力還有待觀察。它們通常比它們的經(jīng)典對(duì)手體積更大、更復(fù)雜——正如巴黎SYRTE計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的FranckPereiraDosSantos指出的那樣，多年來(lái)它們從巨額投資中受益。他認(rèn)為，量子技術(shù)有時(shí)會(huì)被那些缺乏制造傳感器實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的人夸大。

但無(wú)論如何，量子理論的創(chuàng)立是20世紀(jì)最輝煌的成就之一，它揭示了微觀領(lǐng)域物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，把人們的視角從宏觀領(lǐng)域引入到微觀系統(tǒng)。

而且，當(dāng)前，利用電子、光子、聲子等量子體系已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁場(chǎng)、溫度、壓力、慣性等物理量的高精度量子傳感，實(shí)驗(yàn)演示了量子超分辨顯微鏡、量子磁力計(jì)、量子陀螺等，并應(yīng)用在材料、生物等相關(guān)學(xué)科研究中。

所以，雖然量子傳感器實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)推向市場(chǎng)會(huì)是道阻且長(zhǎng)，但相信未來(lái)隨著相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，量子傳感器將在國(guó)計(jì)民生方面得到廣泛應(yīng)用。

責(zé)任編輯；zl