量子傳感器的原理及其應(yīng)用

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) 。一系列區(qū)別于經(jīng)典系統(tǒng)的現(xiàn)象 ，如量子糾纏 、量子相干 、不確定性等被發(fā)現(xiàn) 。同時(shí),量子理論和量子方法還被應(yīng)用到化學(xué)反應(yīng) 、基因工程 、原子物理 、量子信息等領(lǐng)域 。

近年來量子信息學(xué)的發(fā)展，使得對微觀對象量子態(tài)的操縱和控制變得越來越重要 。用量子控制的理論和方法來解決量子態(tài)的控制問題從而產(chǎn)生了量子控制論 。

量子控制論是以研究微觀世界系統(tǒng)量子態(tài)的控制問題的學(xué)科，量子傳感器即可用于解決量子控制中的檢測問題 。

量子傳感器的概念與現(xiàn)狀

在經(jīng)典控制中,測量過程由各種測量儀表完成,其中的變換過程一般由相應(yīng)的測量傳感器完成 。測量儀表可以由若干個(gè)傳感器以合適的方式聯(lián)接而成,共同完成變換 、選擇 、比較和顯示功能 。與經(jīng)典控制中一樣,量子控制中測量的關(guān)鍵也是被測量和標(biāo)準(zhǔn)量的比較 。而量子控制中的可觀測量與量子力學(xué)中的相應(yīng)自共軛算符對應(yīng),量子系統(tǒng)狀態(tài)的直接測量一般不易實(shí)現(xiàn),需要把被測量按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌跍y量的物理量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的間接測量 。這一過程可以通過量子傳感器完成 。

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)為了滿足對被測量進(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,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)行對系統(tǒng)被測量進(jìn)行變換的物理裝置 。

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) 。

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 。

量子傳感器的性能分析

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(huì)引起被測系統(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(diǎn)考慮的方面之一 。在進(jìn)行實(shí)際檢測時(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),將傳感器與被測對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)評價(jià)的重要指標(biāo) 。實(shí)時(shí)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(dāng)前狀態(tài)相吻合,必要時(shí)能夠?qū)Ρ粶y對象量子態(tài)演化進(jìn)行跟蹤,在設(shè)計(jì)量子傳感器時(shí),要考慮如何解決測量滯后問題;

(3)靈敏性:

由于量子傳感器的主要功能是實(shí)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(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(shí)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(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(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)域不可直接測量量變換成可測量量外,還應(yīng)從非破壞性 、實(shí)時(shí)性 、靈敏性 、穩(wěn)定性 、多功能性等方面對量子傳感器的性能加以評估 。

量子傳感器的市場應(yīng)用

以英國為例，在傳感器及相關(guān)設(shè)備領(lǐng)域的從業(yè)者已經(jīng)超過73000人，對經(jīng)濟(jì)的年均貢獻(xiàn)也，所以整合全產(chǎn)業(yè)鏈的重要性也就不言自明了。超過140億英鎊。單單是一個(gè)傳感器數(shù)據(jù)服務(wù)所衍生出來的價(jià)值就已經(jīng)是天文數(shù)字了

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(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。

1、土木工程

地下勘測通常是極其昂貴和耗時(shí)的，但在建造新的基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)又是必要的，尤其是像高速鐵路、核電站這種大型項(xiàng)目在開建之前。實(shí)際上有很多地質(zhì)構(gòu)造未探明的地下環(huán)境都存在諸如下水道、礦井和沉坑之類的危險(xiǎn)。

信息不足的代價(jià)往往是十分高昂的，工程延遲、超支和重新規(guī)劃都是家常便飯。英國進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)的方法就是每年花費(fèi)50億英鎊在道路上挖400萬個(gè)洞，之所以這么做竟然是因?yàn)槿藗儾磺宄叵略O(shè)施的具體位置。

而在人們的普遍印象中，任何檢查都應(yīng)該是在地面上進(jìn)行的，而不需要挖掘坑洞?？涩F(xiàn)有的雷達(dá)、電子檢測儀和磁力儀的性能并不能達(dá)到理想效果，超過地下幾米的物體就很難被探測到了。

遇到這種情況，通常的解決方案就是使用重力感測技術(shù)，因?yàn)榈叵侣癫氐娜魏挝矬w的重力發(fā)生細(xì)微的變化都可以被記錄下來并繪制成重力圖。但傳統(tǒng)重力儀的問題是讀數(shù)不準(zhǔn)確、耗時(shí)長且易于受到地面振動(dòng)的影響。

但如果用量子傳感器來進(jìn)行重力測量就會(huì)有明顯的優(yōu)勢：速度更快、讀數(shù)更精確、探測的更深且不受地面振動(dòng)的影響。這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用勢必會(huì)對土木工程行業(yè)起到極大的推動(dòng)作用。

2、自然危害預(yù)防

在英國有超過500萬的家庭所處的位置都面臨坍塌和沉降的風(fēng)險(xiǎn); 英國鐵路部門也需要對鐵軌周邊的積水情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以防止山體滑坡災(zāi)害的出現(xiàn)。而量子傳感器就可以很好地在重力圖上標(biāo)記處哪里會(huì)有坍塌的風(fēng)險(xiǎn)、哪里的積水過多。

此外，量子光子傳感器還可以快捷地識別地表下諸如油料泄漏之類的危害。這一切都基于量子傳感器快速掃描的特點(diǎn)，而這也使得常態(tài)化的檢查成為了可能。

3、資源勘探

獲取石油和天然氣等自然資源的重點(diǎn)在于開采地點(diǎn)的確定，這在美國是一個(gè)價(jià)值30億美元的龐大市場。目前主流的勘探形式為地震探測，效果更佳，但更昂貴的重力測量方式只有在人們了解較少的地方才被采用。

但實(shí)際上，重力測量高昂成本的很大部分都來自于調(diào)整設(shè)備，而如今量子增強(qiáng)型MEMS傳感器的出現(xiàn)就減少了設(shè)備調(diào)整的操作，使整個(gè)測量工作可以更快推進(jìn)，連成本也降到了之前的十分之一。

4、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)測到當(dāng)?shù)乩迕准壍奈ｋU(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(jī)場雷達(dá)系統(tǒng)的工作范圍和工作精度。

5、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(bǔ)充手段，重力測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)傳感器高一百萬倍。一旦這項(xiàng)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(gè)量級幅度上的進(jìn)步。來自格拉斯哥大學(xué)和橋港大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種Wee-g檢測器，可以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(dòng)。

冷原子傳感器將具有最高的精度，性價(jià)比水平也是無出其右，目前尚未有更尖端的技術(shù)可以超過它。目前伯明翰大學(xué)正在研發(fā)RSK和e2v冷原子傳感器，將用于日常重力測量。例如幫助建筑行業(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，并擺脫對昂貴的勘探挖掘的依賴。

在太空中，冷原子傳感器則可以通過檢測引力波及驗(yàn)證愛因斯坦的理論來實(shí)現(xiàn)新的科學(xué)突破。當(dāng)然了，常規(guī)性地球遙感觀測也可以通過精確重力測量來實(shí)現(xiàn)，監(jiān)測的范包括地下水儲量、冰川及冰蓋的變化。

在格拉斯哥大學(xué)，研究人員的也在創(chuàng)造一種新的變革性的太空技術(shù)，即使用MEMS傳感器對航天器的高度進(jìn)行精細(xì)控制，這將有助于增強(qiáng)英國小衛(wèi)星技術(shù)在全世界范圍內(nèi)的競爭力。

6、醫(yī)療健康

癡呆病：根據(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上研究活體細(xì)胞內(nèi)的溫度和磁場成為了可能，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)測和手術(shù)規(guī)劃等方面都會(huì)大有益處。

量子傳感器有著廣闊的應(yīng)用前景,目前的量子傳感器主要是高靈敏度的磁傳感器,在深入研究已有量子傳感器的基礎(chǔ)上,應(yīng)該考慮結(jié)合激光的優(yōu)越性,利用光電轉(zhuǎn)換原理,設(shè)計(jì)出以激光相干效應(yīng)為基礎(chǔ)的量子傳感器 。