量子傳感器將徹底改變機(jī)器人？

最近的《蟻人》電影很好地展現(xiàn)了量子的魅力，但量子科學(xué)的未來(lái)比小說(shuō)還要光明。量子傳感器這一應(yīng)用已經(jīng)成為世界上一些最重要的系統(tǒng)和技術(shù)的基礎(chǔ)——全球定位系統(tǒng) (GPS) 和磁共振成像 (MRI) 掃描儀就是最好的例子。

量子傳感器和量子人工智能只是一個(gè)開(kāi)始：機(jī)器人現(xiàn)在也正在接受量子傳感器治療。量子傳感器將增強(qiáng)機(jī)器人的工作方式以及我們?nèi)绾螒?yīng)用它們應(yīng)對(duì)21 世紀(jì)的重要挑戰(zhàn)。

現(xiàn)代技術(shù)充滿(mǎn)了測(cè)量熱、光、運(yùn)動(dòng)、壓力或物理環(huán)境其他方面的傳感器。量子傳感器增加了一些新的東西。他們利用粒子在原子尺度上行為的量子特性來(lái)檢測(cè)重力、電場(chǎng)或磁場(chǎng)的微小運(yùn)動(dòng)或變化。

由于量子傳感器的工作規(guī)模如此之小，因此它們可以非常準(zhǔn)確地測(cè)量光或其他可觀察現(xiàn)象。這也意味著它們可以提供高度精確和穩(wěn)定的測(cè)量，因?yàn)樗鼈儨y(cè)量原子結(jié)構(gòu)或原子粒子自旋等永遠(yuǎn)不會(huì)改變的特性。

這種準(zhǔn)確性和可靠性使量子傳感器非常有用。它們確保原子鐘的滴答聲與時(shí)間的節(jié)拍保持一致，這一品質(zhì)使其成為 GPS 和其他定位、導(dǎo)航和授時(shí) (PNT) 系統(tǒng)的核心。它們還廣泛用于 MRI 掃描儀，為臨床醫(yī)生提供精細(xì)的診斷圖像。他們還幫助改善科學(xué)家和工業(yè)界可獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)，這是全球可持續(xù)發(fā)展努力的一個(gè)重要方面。

不過(guò)，值得一提的是，有時(shí)如此精確和敏感可能并沒(méi)有多大用處。這是因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中產(chǎn)生大量噪音。噪聲數(shù)據(jù)是一個(gè)挑戰(zhàn)，像我們的安永量子數(shù)據(jù)科學(xué)團(tuán)隊(duì)這樣的團(tuán)隊(duì)正在通過(guò)實(shí)施人工智能來(lái)從噪聲中分離出見(jiàn)解來(lái)應(yīng)對(duì)。

事實(shí)上，將量子傳感與其他技術(shù)相結(jié)合是一種具有巨大潛力的策略。量子傳感和機(jī)器人技術(shù)就是一個(gè)很好的例子。大多數(shù)量子傳感器的尺寸很小，加上它們的高靈敏度，已經(jīng)導(dǎo)致它們被用作機(jī)械臂光纖電纜中的觸覺(jué)傳感元件——通過(guò)檢測(cè)有關(guān)壓力、振動(dòng)、溫度或壓力的精確信息來(lái)幫助機(jī)械臂感知其環(huán)境。質(zhì)地。

這種強(qiáng)大組合的其他潛在應(yīng)用也正在出現(xiàn)。例如，我們開(kāi)始看到量子傳感器與移動(dòng)機(jī)器人相結(jié)合。傳感器檢測(cè)到的環(huán)境信息，例如溫度或磁場(chǎng)的微小變化，可以使機(jī)器人做出更精確的運(yùn)動(dòng)和決策，并為其他目的收集有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

我們自己測(cè)試了這一點(diǎn)，將量子傳感器連接到 Spot，這是一款設(shè)計(jì)用于移動(dòng)和收集數(shù)據(jù)的四足機(jī)器人。我們測(cè)試的量子傳感器旨在測(cè)量影響植物生長(zhǎng)的光類(lèi)型，稱(chēng)為光合有效輻射（PAR）。更準(zhǔn)確地說(shuō)，傳感器測(cè)量某個(gè)時(shí)間點(diǎn)特定位置的光合活躍光子數(shù)量，以了解該位置的植物將接收多少 PAR。

由于該傳感器在水下和地下的人工照明溫室等環(huán)境中堅(jiān)固可靠，因此將其連接到 Spot 等移動(dòng)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中具有寶貴的潛力，在農(nóng)業(yè)中，監(jiān)測(cè)和管理光線(xiàn)至關(guān)重要。它還可以幫助模擬新興的大規(guī)模生物生態(tài)系統(tǒng)，例如沙漠中的種植園或地下農(nóng)場(chǎng)，以幫助利用它們解決全球糧食安全問(wèn)題。

我們已經(jīng)看到了這一領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性研究，例如卡塔爾的一個(gè)項(xiàng)目，研究番茄等對(duì)光非常敏感的溫室植物的最佳生長(zhǎng)策略，該項(xiàng)目旨在促進(jìn)該國(guó)糧食安全重點(diǎn)關(guān)注本地種植而不是進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品。

為了進(jìn)行簡(jiǎn)單的概念驗(yàn)證，我們使用標(biāo)準(zhǔn) GoPro 安裝座將傳感器連接到 Spot，并對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，使其在我們的辦公室花園中移動(dòng)，以便傳感器可以進(jìn)行光測(cè)量。不幸的是，我們的第一個(gè)發(fā)現(xiàn)是丹麥的冬季對(duì)我們的植物來(lái)說(shuō)“不是最佳的”！

我們的第二個(gè)目標(biāo)是親眼目睹為什么將量子傳感器與移動(dòng)機(jī)器人配對(duì)具有如此大的潛力。我們看到了對(duì) Spot 進(jìn)行編程以隨著時(shí)間的推移定期測(cè)量花園周?chē)哪芰Φ奶厥鈨r(jià)值。

除了 Spot 等安裝在機(jī)器人上的 PAR 傳感器的農(nóng)業(yè)用途之外，帶有量子重力傳感器的機(jī)器人還可以改變我們繪制地下結(jié)構(gòu)地圖的能力。通過(guò)更精確地測(cè)量重力場(chǎng)的差異，這些傳感器可以通過(guò)更準(zhǔn)確地繪制隧道、洞穴或天坑地圖來(lái)幫助降低施工風(fēng)險(xiǎn)，并幫助環(huán)境科學(xué)家建模和預(yù)測(cè)巖漿流或地下水位的模式，以管理噴發(fā)和洪水風(fēng)險(xiǎn)。

讓量子傳感器進(jìn)入和周?chē)錆M(mǎn)挑戰(zhàn)的環(huán)境并不是機(jī)器人與量子傳感器配對(duì)的唯一好處。量子傳感器還可以幫助機(jī)器人更好地導(dǎo)航。對(duì)于 Spot 等自主機(jī)器人或自動(dòng)駕駛汽車(chē)來(lái)說(shuō)，能夠安全、準(zhǔn)確地導(dǎo)航至關(guān)重要。

量子傳感器似乎也將在這方面發(fā)揮作用。2020 年 12 月，SPIDAR 項(xiàng)目獲得了英國(guó)政府資助，用于開(kāi)發(fā)用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的基于量子的 LiDAR 系統(tǒng)。通過(guò)檢測(cè)物體發(fā)射的單光子并用其測(cè)量檢測(cè)到的物體的距離，SPIDAR將能夠以比現(xiàn)有 3D 攝像系統(tǒng)更高的精度來(lái)感知物體與車(chē)輛的距離。

與當(dāng)前測(cè)量激光束往返物體的傳播時(shí)間的精度達(dá)到 100 毫秒的 LiDAR 系統(tǒng)相比，像 SPIDAR 這樣的量子 LiDAR 可以測(cè)量萬(wàn)億分之一秒的光子傳播時(shí)間。它們還能夠透過(guò)霧氣或潛在的拐角處檢測(cè)物體，這是當(dāng)前激光雷達(dá)無(wú)法做到的。量子激光雷達(dá)的升級(jí)聽(tīng)起來(lái)確實(shí)是朝著自動(dòng)駕駛汽車(chē)邁出的積極一步，我們可以在其中或旁邊感到安全。

除了日常道路使用者之外，量子傳感器還將幫助無(wú)人機(jī)和自動(dòng)軍用車(chē)輛等機(jī)器人在 GPS 系統(tǒng)無(wú)法工作或可能成為可利用弱點(diǎn)的環(huán)境中導(dǎo)航。這些非 GPS PNT 系統(tǒng)通常使用冷捕獲離子量子傳感器來(lái)測(cè)量重力和原子加速度的微小變化。隨著技術(shù)變得更小、更堅(jiān)固，專(zhuān)家相信這些系統(tǒng)將在商業(yè)和國(guó)防工業(yè)中具有巨大的潛力。

我們對(duì)量子傳感器和機(jī)器人技術(shù)的哨聲之旅表明，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展， 這種結(jié)合將提供多少機(jī)會(huì)。但量子和機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合更令人興奮的是其更廣泛的潛力，特別是當(dāng)你將人工智能加入其中時(shí)。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML) 等人工智能技術(shù)對(duì)于自主移動(dòng)機(jī)器人如何感知和避開(kāi)障礙物以及在特定 環(huán)境中規(guī)劃其活動(dòng)至關(guān)重要。但讓人工智能處理器足夠小、足夠輕以集成到較小的機(jī)器人中是一項(xiàng)巨大的技術(shù) 挑戰(zhàn)。這是因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/tags/機(jī)器視覺(jué)/" target="_blank">機(jī)器視覺(jué)等流程 需要大量的計(jì)算資源。

專(zhuān)家認(rèn)為，量子計(jì)算可以通過(guò)更快地運(yùn)行算法來(lái)克服這一挑戰(zhàn)，從而大大 降低所需的處理能力。這樣做可以 開(kāi)辟更多利用移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)會(huì)。這只是量子人工智能應(yīng)用于機(jī)器人的一個(gè)例子——其他方面，例如量子機(jī)器學(xué)習(xí)幫助機(jī)器人更快學(xué)習(xí)的潛力，也正在探索中，毫無(wú)疑問(wèn)，其他富有成果的配對(duì)也會(huì)隨之而來(lái)。

總而言之，我們很清楚，量子機(jī)器人技術(shù)是一個(gè) 充滿(mǎn)活力的領(lǐng)域，創(chuàng)新者、科學(xué)家和政府 都渴望擴(kuò)展。我們相信，量子 傳感器和量子人工智能只是一個(gè)開(kāi)始。我們將密切關(guān)注量子機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)其潛力方面邁出更大的步伐。正如他們所做的那樣，他們將加入量子應(yīng)用的行列，使量子科學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出虛構(gòu)的領(lǐng)域。