量子傳感器技術(shù)的定義和應(yīng)用

量子傳感器運用了量子態(tài)的極端敏感性，但要使它們切實可行、落地應(yīng)用是一個極大的挑戰(zhàn)。

量子傳感器是根據(jù)量子力學規(guī)律、利用量子效應(yīng)設(shè)計的、用于執(zhí)行對系統(tǒng)被測量進行變換的物理裝置。量子傳感器運用了量子態(tài)的極端敏感性，但要使它們切實可行、落地應(yīng)用是一個極大的挑戰(zhàn)。

一、量子傳感器的定義

一項技術(shù)怎樣才能認為是量子技術(shù)？

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

近年來，人們發(fā)現(xiàn)利用量子力學的基本屬性，例如量子相干，量子糾纏，量子統(tǒng)計等特性，可以實現(xiàn)更高精度的測量。因此，基于量子力學特性實現(xiàn)對物理量進行高精度的測量稱為量子傳感。在量子傳感中，電磁場、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)，最終通過對這些變化后的量子態(tài)進行檢測實現(xiàn)外界環(huán)境的高靈敏度測量。而利用當前成熟的量子態(tài)操控技術(shù)，可以進一步提高測量的靈敏度。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)計的、用于執(zhí)行變換功能的物理裝置;

(2)為了滿足對被測量進行變換,某些部分細微到必須考慮其量子效應(yīng)的變換元件。

不管從哪個方面定義,量子傳感器都必須遵循量子力學規(guī)律?？梢哉f,量子傳感器就是根據(jù)量子力學規(guī)律、利用量子效應(yīng)設(shè)計的、用于執(zhí)行對系統(tǒng)被測量進行變換的物理裝置。

比如量子雷達技術(shù)，就運用了量子糾纏原理。根據(jù)物理學家SethLloyd的理論方案，這個過程包括將一系列糾纏光子對中的一半從一個物體上彈回來，然后將返回的光子與被阻擋的光子進行比較。這樣做的目的是將最初發(fā)出的輻射與強噪聲源區(qū)分開來，發(fā)現(xiàn)隱形飛機等普通雷達無法探測到的物體，并將雷達操作員隱藏起來

與蓬勃發(fā)展的生物傳感器一樣,量子傳感器應(yīng)由產(chǎn)生信號的敏感元件和處理信號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)主要從準確度、穩(wěn)定性和靈敏度等方面加以評價。結(jié)合量子傳感器的自身特點,可以從以下幾個方面來考慮量子傳感器的性能:

(1)非破壞性:

在量子控制中,由于測量可能會引起被測系統(tǒng)波函數(shù)約化,同時,傳感器也可能引起系統(tǒng)狀態(tài)變化,因此,在測量中,要充分考慮量子傳感器與系統(tǒng)的相互作用。因為量子控制中的狀態(tài)檢測與經(jīng)典控制中的狀態(tài)檢測存在本質(zhì)上的不同,測量可能引起的狀態(tài)波函數(shù)約化過程暗示了對狀態(tài)的測量已經(jīng)破壞了狀態(tài)本身,因此,非破壞性是量子傳感器應(yīng)重點考慮的方面之一。在進行實際檢測時,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,將傳感器與被測對象相互作用的哈密頓考慮在整個系統(tǒng)狀態(tài)的演化之中;

(2)實時性:

根據(jù)量子控制中測量的特點,特別是狀態(tài)演化的快速性,使得實時性成為量子傳感器品質(zhì)評價的重要指標。實時性要求量子傳感器的測量結(jié)果能夠較好的與被測對象的當前狀態(tài)相吻合,必要時能夠?qū)Ρ粶y對象量子態(tài)演化進行跟蹤,在設(shè)計量子傳感器時,要考慮如何解決測量滯后問題;

(3)靈敏性:

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

(4)穩(wěn)定性:

在量子控制中,被控對象的狀態(tài)易受環(huán)境影響,量子傳感器在探測對象量子態(tài)時也可能引起對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;

(5)多功能性:

量子系統(tǒng)本身就是一個復雜系統(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,實際應(yīng)用時總是期望減少人為影響和多步測量帶來的滯后問題,因此,可以將較多的功能,如采樣、處理、測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)計量子傳感器時,在重點考慮將量子領(lǐng)域不可直接測量量變換成可測量量外,還應(yīng)從非破壞性、實時性、靈敏性、穩(wěn)定性、多功能性等方面對量子傳感器的性能加以評估。

三、量子傳感器的應(yīng)用

隨著量子控制研究的深入,對敏感元件的要求將越來越高,傳感器自身的發(fā)展也有向微型化、量子型發(fā)展的趨勢,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)檢測等方面得到廣泛應(yīng)用。

①、微小壓力測量

美國國家標準與技術(shù)研究所(NIST)已經(jīng)研制出一種壓力傳感器，可以有效地對盒子里的顆粒進行計數(shù)。該裝置通過測量激光束穿過氦氣腔和真空腔時產(chǎn)生的拍頻來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(因為壓力改變折射率)。

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

②、精準重力測量

光線測量并不適用于所有的成像工作，作為新的替代補充手段，重力測量可以很好的反映出某一地方的細微變化，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)測也會變得異常容易。

利用量子冷原子所開發(fā)的新型引力傳感器和量子增強型MEMS（微電子機械系統(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)計它將會只有網(wǎng)球大小，敏感程度要比在智能手機中使用的運動傳感器高一百萬倍。一旦這項技術(shù)成熟，那么大面積的重力場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量級幅度上的進步。來自格拉斯哥大學和橋港大學的研究人員開發(fā)了一種We-g檢測器，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改善設(shè)備精度，即便是更小的物體也可以被檢測到——或有助于雪崩與地震災(zāi)害中的救援行動，以及幫助建筑行業(yè)確定地下的詳細狀況，減少由于意外危險造成的工程延誤，并擺脫對昂貴的勘探挖掘的依賴。

另外，常規(guī)性地球遙感觀測也可以通過精確重力測量來實現(xiàn)，監(jiān)測的范包括地下水儲量、冰川及冰蓋的變化。

③、量子傳感器探測無線電頻譜

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

新型量子傳感器非常小巧，幾乎無法被其他設(shè)備探測到，有望讓士兵們?nèi)缁⑻硪恚缈捎米魍ㄐ沤邮掌鳌?/p>

盡管里德堡原子擁有廣譜靈敏度，但科學家迄今從未對整個運行波段的靈敏度進行定量描述。

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傳感器技術(shù)——如電光晶體和偶極天線耦合的無源電子設(shè)備等相媲美。

目前，陸軍科學家計劃進一步錘煉最新技術(shù)，提高這款量子傳感器的靈敏度，使其能探測到更弱的信號，并擴展用于探測更復雜波形的協(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，有助于該項技術(shù)的推廣；而用于測量重力的量子傳感器將有望改變?nèi)藗儗鹘y(tǒng)地下勘測工作繁雜耗時的印象；即便在導航領(lǐng)域，往往導航衛(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)會估計，全世界每年因癡呆病而造成的經(jīng)濟損失約有5000億英鎊，這一數(shù)字還在不斷增加。而當前基于患者問卷的診斷形式通常會使治療手段的選擇可能性被嚴重限制，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上研究活體細胞內(nèi)的溫度和磁場成為了可能，這為醫(yī)學研究提供了新的工具。

心臟疾病：心律失常通常被看作是發(fā)達國家的第一致死殺手，而該病癥的病理特征就是時快時慢的不規(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并研究其形成機制的工具，量子磁力儀的出現(xiàn)會大大提升這一技術(shù)的應(yīng)用效果，在成像臨床應(yīng)用、病患監(jiān)測和手術(shù)規(guī)劃等方面都會大有益處。

⑤、交通運輸和導航

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

然而有了這些還遠遠不夠，傳感器技術(shù)的發(fā)展也將面對新的挑戰(zhàn)。自動駕駛汽車和火車的定位及導航精度被嚴格要求在10厘米以內(nèi);下一代駕駛輔助系統(tǒng)必須可以隨時監(jiān)測到當?shù)乩迕准壍奈ｋU路況。使用基于冷原子的量子傳感器，導航系統(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航衛(wèi)星觸及不到的地方工作的能力。

與此同時，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），它們可以將道路評估的精度精確到毫米級。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場雷達系統(tǒng)的工作范圍和工作精度。

四、量子傳感器革命還有多遠？

許多專家說，世界正處在第二次量子革命的邊緣。能量量子化通過晶體管和激光為人類帶來了現(xiàn)代電子技術(shù)，但隨著人類操縱單個原子和電子的能力迅速發(fā)展，可能會改變通訊、能源、醫(yī)藥和國防等行業(yè)。這在英國和歐盟為了將尋求將量子技術(shù)商業(yè)化引發(fā)了大資金的特殊項目，同時在美國最近頒布了國家量子計劃(美國光學學會是其中創(chuàng)始合伙人)，并且中國和其他國家將花費數(shù)十億美元在未來幾年進行相關(guān)研究。

美國陸軍研究實驗室傳感器與電子設(shè)備局物理學家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，可以測量重力場或磁場變化，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家都成立了公司來將他們的技術(shù)商業(yè)化，但很少有真正的產(chǎn)品上市。

其實在量子技術(shù)中，人們談?wù)撟疃嗟氖橇孔佑嬎銠C。理論上，量子計算機功能強大，可以在短短幾分鐘內(nèi)破解互聯(lián)網(wǎng)安全的底層代碼。但是全尺寸量子計算機的問世可能還需要幾十年的時間。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)在市場上。

然而，許多科學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。這是因為傳感可以利用量子計算機的一個特性：量子態(tài)對環(huán)境異常敏感，而這正是制造量子計算機如此困難的原因。無論它們是對被埋物體的引力做出反應(yīng)，還是接收人類大腦的磁場，量子傳感器都能探測到來自周圍世界的各種微弱信號。英國伯明翰大學的物理學家KaiBongs說他認為，特別是重力測量量子傳感器，“將很快得到更廣泛的應(yīng)用”，其潛在市場可能達到每年10億美元。

然而，除了某些瞄準機會的市場外，量子傳感器的競爭力還有待觀察。它們通常比它們的經(jīng)典對手體積更大、更復雜——正如巴黎SYRTE計量實驗室的FranckPereiraDosSantos指出的那樣，多年來它們從巨額投資中受益。他認為，量子技術(shù)有時會被那些缺乏制造傳感器實際經(jīng)驗的人夸大。

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

而且，當前，利用電子、光子、聲子等量子體系已經(jīng)可以實現(xiàn)對電磁場、溫度、壓力、慣性等物理量的高精度量子傳感，實驗演示了量子超分辨顯微鏡、量子磁力計、量子陀螺等，并應(yīng)用在材料、生物等相關(guān)學科研究中。

所以，雖然量子傳感器實現(xiàn)量產(chǎn)推向市場會是道阻且長，但相信未來隨著相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，量子傳感將在國計民生方面得到廣泛應(yīng)用。