量子革命的新未来：传感器的量子化

导读：原子尺度推动了新的传感器热潮 曾经深奥的物理学将成为医学、科技和工程领域传感器革命的基础。

伦敦帝国学院和位于格拉斯哥的M公司的一个量子传感器可以帮助船只导航，即使GPS不能该区域使用。

想象一下，传感器可以探测思想的磁场，帮助月球车探测月球岩石中的氧气，或者倾听来自暗物质的无线电波。正如量子计算机在理论上可以找到经典计算机无法解决的问题的答案一样，新一代量子传感器也可以带来新的敏感度，新的应用种类，以及推动一系列领域、技术和科学追求的新进步。

量子技术依赖于量子效应，这种效应的产生是因为宇宙在其最小的层面上可以成为一个模糊的地方。例如，被称为叠加的量子效应允许原子和宇宙的其他构件基本上同时存在于两个或更多的地方，而另一个被称为纠缠的量子效应可以将粒子联系起来，因此它们可以立即影响对方，无论它们相距多远。

众所周知，这些量子效应对外界的干扰非常地脆弱。然而，当量子计算机努力克服这一弱点时，量子传感器则利用这一弱点来实现对环境中最轻微的干扰而产生非凡的敏感性。下面列举的只是今天正在开发和部署的许多种类和品种的量子传感器中的一小部分。

脑部扫描：大脑中的电流产生的磁场，传感器可以分析，以无创的方式扫描大脑活动。现在，量子传感器使可穿戴头盔能够以前所未有的性能和低成本进行这种脑磁图（MEG）扫描。

目前，脑电图扫描是通过被称为超导量子干涉装置（SQUID）的传感器进行的。这些传感器需要将昂贵的液氦冷却到-269 ，使扫描仪体型变得极其庞大。相比之下，位于英国诺丁汉的一家初创公司的新设备，每个都只有乐高砖那么大。

每个设备都被称为光学泵浦磁强计（OPM），它包含一个激光器，通过铷原子云向一个光探测器照射光束。该光束可以使铷原子的磁场全部排成一行，使设备云层基本上透明。微小的磁场，如来自大脑活动的磁场，可以干扰这些原子，使它们能够吸收光，光探测器可以感觉到这一点，而激光可以重置云，以便它可以继续对磁干扰做出反应。

这些量子传感器在室温下工作的这一事实表明它们比超导量子干涉装置（SQUID）更轻。该公司主席、诺丁汉大学研究员马修·布鲁克斯说，这意味着它们可以更靠近人的头部，从而使信号至少强两倍，理论上强五倍，以毫米级精度和毫秒级分辨率拍摄大脑表面区域的磁图像。

一个男孩头上戴着一个蓝色头盔，上面装有电缆和传感器。M公司可穿戴式脑电图头盔甚至可以让好动的孩子安全地佩戴。

传感器的小而轻的性质也意味着它们可以被安装在可穿戴的头盔中，让人们在扫描过程中自由移动，而不是像目前的情况那样让他们长时间保持静止。此外，它可以适应不同的头部形状和尺寸，使其不仅可以扫描成年人，也可以扫描儿童和婴儿。此外，"使用光学泵浦磁强计（OPM）的脑磁图（MEG）原则上要比使用超导量子干涉装置（SQUID）便宜很多，"布鲁克斯说。"即使是现在，在使用光学泵浦磁强计（OPM）的早期，一个完整的脑磁图（MEG）成像系统的价格仍然是超导量子干涉装置（SQUID）系统的一半，而性能相似。"

这家公司扫描仪可以帮助探测神经系统疾病，如癫痫、脑震荡、痴呆症和精神分裂症，"帮助阐明许多严重和衰弱的情况。

布鲁克斯说，未来的研究可以将这些传感器推向其理论灵敏度的极限，允许人们更多的行动自由，也许可以让人们行走，并增加虚拟现实和机器学习，以促进研究人员在实验和分析方面可以利用扫描仪做更多的事情。

重力测绘：一种新的量子传感器可以绘制地球引力场的强度，有助于揭示隐藏在地下的特征。

任何有质量的东西都拥有一个引力场。这个场的引力强度取决于一个物体的质量。由于地球的质量不是均匀分布的，这意味着这个星球的引力在某些地方比其他地方更强。几十年来，重力测绘揭示了大规模地质活动的细节，但采用这种米级的重力测绘是具有挑战性的，因为需要较长的测量时间来考虑当地的噪音，如附近交通的振动。

新的量子传感器使用冷却到绝对零度以上几百万分之一摄氏度的铷原子云。激光脉冲驱动原子进入叠加状态，两个版本的原子沿着略有不同的轨迹下落，然后这些原子被重新组合。然后，由于波粒二象性，粒子可以像波一样行动的量子现象，反之亦然。这些原子在量子力学上相互干扰，其峰值和谷值相互增强或压制。分析这种干扰的性质，一种被称为原子干涉测量法的技术，可以揭示沿着它们各自的路径感受到的略有不同的引力的程度。

分析这种干扰的性质，一种被称为原子干涉测量法的技术。

该传感器采用沙漏式设计，设备的每一半都有一朵铷原子云，在垂直方向上相隔1米。因此，该传感器可以分析同一地点两个不同高度的地球引力强度。通过比较这些云的数据，研究人员可以说明各种噪音的来源。在实验中，该传感器可以探测到在英国伯明翰市两座多层建筑之间的路面下埋藏的一个2立方米的公用设施隧道。

该传感器的潜在应用包括观测到隐藏的地下结构，探测地下自然资源，发现地下考古遗址，以及监测火山活动和地下水流。

最初的传感器约为300公斤，使用约750瓦特，大约只有冰箱的大小。英国伯明翰大学的实验物理学家迈克尔·霍利斯基(Michael Holynski)说，科学家们现在正在努力建造一个背包大小重量约为20公斤，靠电池运行的传感器，他是一家初创公司的主管，该公司正在将该传感器商业化。目前这家公司的目标是在未来两年内达到下一代传感器的商业原型，早期的市场对传感器本身来说，大约只有1亿英镑的市场。然而，他们将要创造的数据更有价值，而且与英国国内生产总值的百分之几的应用有关。

检测病毒：另一个有前途的量子传感器可能促进全球大流行病背后的新冠病毒(SARS-CoV-2)进行更快、更便宜、更准确的测试。它依赖于具有缺陷的微型人造钻石，这种缺陷是：其中一个碳原子被一个氮原子取代，相邻的碳原子缺失。晶体中的这种缺陷表现得像一块微小的磁铁，其排列对磁场非常敏感，有助于将这种 "氮空置中心"作为传感器使用。

当这些钻石被绿光照亮时，它们会发出红色的光芒。

这项新技术涉及在大约25纳米宽的氮空置中心钻石上涂抹磁性化合物，这些化合物在与新冠病毒(SARS-CoV-2)的特定RNA序列结合后从宝石上被分离出来。当这些钻石被绿光照亮时，它们会发出红色的光芒。磁性涂层使这种光芒变暗；将传感器暴露在病毒中可以增加这种光芒。

目前对新冠病毒(SARS-CoV-2)的黄金标准测试需要几个小时才能创造出足够的病毒遗传物质的副本来进行检测。此外，它不能高度准确地量化存在的病毒数量，并且可能有超过25%的假阴性率。相比之下，计算机模拟表明，新的测试理论上只需一秒钟就能工作，其敏感度足以检测到几百股病毒RNA，并且假阴性率可能低于1%。

该测试中使用的纳米钻石和其他材料都很便宜。此外，这种新方法可以适用于检测几乎任何病毒，包括可能出现的任何新病毒，只要调整磁性涂层以匹配目标病毒。他们目前正在合成和测试这些传感器，以了解它们的实际性能如何。预计这种测试很快就能得到有希望的结果。

检测新冠病毒(SARS-CoV-2)病毒存在的量子传感器只使用低成本的材料。据研究人员说，这些设备可以扩大规模，一次性分析一整批样品。

探测细胞和分子：量子钻石传感器也可以在细胞内找到温度计的用途。钻石中的"氮空置中心"中心对微小的温度波动非常敏感。美国芝加哥大学的物理学家彼得·毛雷尔和他的同事将具有这种缺陷的纳米级钻石注入活体细胞，并研究晶体对激光束的反应，以便将细胞内的温度映射到千分之几摄氏度。

可以想象使用这种原子级的温度计来研究温度如何影响细胞分裂、基因表达，以及分子如何进出细胞，以上这些研究都是医学和生物学中的重大问题。

此外，毛雷尔和他的同事正在研究使用带有"氮空置中心"的钻石来对分子进行核磁共振扫描。通过量子传感器，你可以在单分子水平上进行核磁共振成像，以了解其结构和功能之间的关系，这可以从根本上提高我们对医学的理解。

科学家们开发了一种新的方法，将单一的蛋白质和DNA分子拴在有氮空置中心的钻石表面。通过分析这些分子的磁场，你可以了解原子之间的距离，它们之间相互作用的强度，它们在哪里，以及是什么让它们在一起。

量子加速器：世界现在严重依赖全球导航卫星系统，如全球定位系统，但帮助实现这种定位、导航和计时的卫星链路在地下或水下无法工作，而且容易受到干扰、欺骗和天气的影响。现在，伦敦帝国学院和位于格拉斯哥的一家M公司的一个量子传感器可以帮助船只导航，即使GPS导航被拒绝。

量子导航加速器的小型化。

该量子传感器是一个类似于重力测绘装置的原子干涉仪。分析其原子波包的相位如何移动可以揭示它们所经历的任何加速度或旋转，该设备可以用它来计算其位置随时间的变化。

这种量子加速器可以帮助作为一个不依赖任何外部信号的惯性导航系统完成导航任务。伦敦帝国学院冷物质中心的研究员约瑟夫·科特说，温度波动和其他因素导致传统惯性导航系统的位置估计在没有外部参考信号的情况下在数小时内发生漂移，而M公司的设备即使在数天后也会出现可忽略的漂移。

这种新兴量子技术的早期采用者可能是那些对水下和地面车辆的远程导航感兴趣的人。然而，随着技术的发展，开发时间越来越短，成本越来越低，通过在船舶、火车和飞机上的部署，它将在整个运输行业产生更广泛的效益。"

研究人员计划在今年夏天对他们的最新设备进行实地测试。目前，量子加速器大约有两台洗衣机那么大，研究人员正在努力使它变得更加小型化。

量子软件：大多数量子传感器公司专注于硬件，而位于悉尼的初创公司Q公司则专注于软件，以增强量子技术。Q公司的创始人兼首席执行官说："当你把量子传感器从原始的实验室环境带到现场时，你经常会看到由于平台的噪音而导致性能的巨大下降。Q公司的重点是用我们的量子控制软件重新获得这种性能。"

塑造光的脉冲。

例如，许多量子传感器使用激光扫描冷原子来检测环境中的任何变化，但设备中的任何运动都可能导致原子移出激光束。通过Q公司的软件，他们可以塑造光的脉冲：它的频率、振幅、相位，使光的脉冲对运动更有弹性，而无需对硬件本身做任何改变。

Q公司正在与位于悉尼的惯性导航公司合作，开发一个基于铷原子干涉仪的惯性导航系统，该系统可以安装在不到1立方米的地方，并可以在GPS失效的地区工作。该初创公司的目标是在2023年首次交付可实战的系统。

该公司还旨在将原子干涉仪放置在卫星上，以低于目前成本100倍的价格从太空进行重力测绘，预计在2025年向低地球轨道发射示范有效载荷。此外，Q公司是澳大利亚七姐妹航天工业联盟的成员，该联盟正在设计一个新的月球车，以支持NASA的阿尔忒弥斯计划，其中Q公司正在研究一个基于铷的量子原子磁力计，以磁性分析月球岩石的氧气。

量子传感器可能有助于探测远在地球之外的事物。例如，宇宙中最大的谜团之一是暗物质的性质和身份，这种看不见的物质被认为构成了宇宙中所有物质的六分之五。暗物质的主要理论候选者包括被称为轴子的粒子，原则上它们的质量极低，最多只有质子质量的万亿分之一，这使得它们难以被探测。

斯坦福大学的量子物理学家们正在开发一种 "暗物质无线电"，以探测轴子和类似的暗物质候选物。该设备中的一个强大的磁铁将把轴子转换成无线电波，而量子传感器将旨在放大和探测这些极弱的无线电信号。

量子纠缠实现测量暗物质无线电阵列。

由于暗物质无线电将探测的频率将包括用于空中广播的频率，该装置将需要在液氦中冷却的超导铌金属薄层中进行屏蔽。这应该能屏蔽掉人工信号，但将很容易被暗物质穿透。斯坦福大学的物理学家们现在正在计划一个版本的暗物质收音机，其规模约为一立方米，这个团队希望在未来几年内建造该收音机。

量子物理学也可能有助于实现巨型望远镜阵列。理论上，在太空中相距甚远的多个望远镜可以被组合起来，基本上形成一个数千公里宽的单一望远镜。

用光学望远镜对可见光进行成像并形成这样的阵列是很困难的，因为在连接这些望远镜的任何光纤中不可避免地会出现随机波动。然而，纠缠原则上可以使量子的数据传输跨越遥远的距离。

伊利诺伊大学的量子光学研究人员目前正在用桌面实验研究这种 "量子增强的望远镜"。这种研究仍然非常遥远，但也是一个真正的里程碑，一个令人难以置信的月球射击：一个大约相当于地球直径的望远镜阵列原则上可以对附近恒星上城市大小的特征进行成像。

最近，奥地利的科学家们开发了第一个可编程的量子传感器，一个能够在量子力学定律规定的基本极限附近，运行的前所未有的灵敏度水平的设备。

在这项工作中，他们对一台量子计算机进行编程，为自己找到最佳设置，以测量其组件的状态。他们发现这种可编程的量子传感器可以对自己进行足够的优化，以接近基本的传感极限，这种优化最高可达1.45的系数，该系数表示：一个传感器越接近终极传感极限1，其性能就越好。奥地利的科学家们建议，可编程的量子传感器可以在原子钟和全球定位系统以及磁和惯性传感器等设备中找到用途。

总而言之，"量子传感器正在以精致的精度出现，涵盖从单一蛋白质一直到天文学和宇宙学问题的一切。

期待量子传感器的未来和发展。

公众号：ScienceWorks 智科院