量子技术带来了传感器的革命
光子盒研究院出品
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，或者接收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，新兴的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、技术和科学探索的新机会。
量子技术依赖于量子效应，它重新定义了宇宙。例如，被称为“叠加”的量子效应允许原子和宇宙的其他组成部分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，因此被连接的粒子可以立即影响对方，无论它们相距多远。
然而，这些量子效应非常容易受到外界干扰。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干扰的非凡灵敏度。下面将介绍今天正在开发和部署的量子传感器的种类[1]。
大脑中的电流产生磁场，传感器可以分析这些磁场以无创的方式扫描大脑活动。现在，量子传感器将使一个可穿戴的头盔能够以前所未有的性能和经济效益进行这种脑磁图（MEG）扫描。
目前，MEG扫描是通过被称为“超导量子干涉装置”（SQUID）的传感器进行的。这些传感器需要用昂贵的液氦冷却到-269℃，这使得扫描仪变得极其庞大。相比之下，来自英国诺丁汉的初创公司Cerca Magnetics的新设备，每个都只有乐高积木那么大[2]。
Cerca的设备被称为“光学泵浦磁力计”（OPM），其中包含一个激光器：它通过铷原子云向一个光探测器照射光束。具体原理是，该光束可以使铷原子的磁场全部排成一行，使铷原子云层基本透明；来自大脑活动的微小磁场可以干扰这些原子，使它们能够吸收光探测器可以感知的光，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，使它们比SQUID体积小得多。Cerca公司主席、诺丁汉大学研究员Matthew Brookes表示，这意味着它们可以更靠近人的头部，从而使信号至少好2-5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。
传感器小巧轻便的特点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需要人们长时间保持静止。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OPM的MEG原则上要比使用SQUID便宜很多，”Brookes说。“即使是现在——使用OPM的早期，一个完整的MEG成像系统的价格仍然是SQUID系统的一半，而性能相似。”
Cerca Magnetics公司的可穿戴式MEG头盔甚至可以让活跃的儿童安全地佩戴。
一种新的量子传感器可以绘制地球引力场的强度[3]，这有助于揭示隐藏在地下的特征。
新的量子传感器使用被冷却到绝对零度以上几百万分之一的铷原子云。激光脉冲驱动原子进入叠加状态，两类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，由于波粒二象性这一量子现象，这些原子在量子力学上相互干涉，它们的波峰和波谷相互增强或抑制。通过分析这种干涉的性质，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重力的程度。
该传感器采用沙漏式设计，设备的每一半都有一朵原子云，相互间在垂直方向上相隔1米。因此，该传感器可以在同一地点两个分析不同高度的地球重力强度。通过比较来自这些云的数据，研究人员可以解释各种噪声源。在实验中，该传感器可以检测到埋在英格兰伯明翰市两座多层建筑之间路面下约0.5米的2×2米的公用隧道。
伯明翰大学的量子重力传感器
该传感器的潜在应用包括看到隐藏的地下结构、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。
英国伯明翰大学的科学家们现在正在努力建造一个背包大小的传感器，重量约为20公斤，靠电池提供能源，并计划将该传感器商业化。
另一种有前途的量子传感器可能实现对新冠肺炎病毒进行更快、更便宜和更准确的测试[4]。它依赖于微型人造金刚石和其内部缺陷：其中一个碳原子被一个氮原子取代，同时相邻的碳原子缺失。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，有助于这种“氮-空位中心”作为传感器使用。
这项新技术需要在大约25纳米宽的金刚石氮-空位中心上涂抹磁性化合物，这些化合物在与新冠病毒的特定RNA序列结合后从金刚石上分离出来。当这些金刚石被绿光照亮时，它们会发出红光。磁性涂层使这种光变暗；将传感器暴露在病毒中可以增强这种光。
目前对新冠病毒的黄金标准测试需要几个小时才能创建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发挥作用，其灵敏度足以检测到几百股病毒RNA，并且假阴性率可能低于1%。
检测新冠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，这些设备可以进行扩展，以一次分析整批样品。来源：MIT
该测试中使用的纳米金刚石和其他材料都很便宜。此外，通过调整磁性涂层以匹配目标病毒，这种新方法可以适用于几乎任何病毒，包括可能出现的任何新病毒。
量子金刚石传感器也可以用于细胞内的“温度计”[5]。
金刚石中的氮-空位中心对微小的温度波动非常敏感。芝加哥大学的物理学家Peter Maurer和他的同事将具有这种缺陷的纳米级金刚石注入活体细胞，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。
你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，这些都是医学和生物学的主要问题。
科学家们开发了一种新的方法，将单一的蛋白质和DNA分子束缚在有氮-空位中心的金刚石表面。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、它们的位置以及将它们保持在一起的原因。
世界现在严重依赖全球导航卫星系统，如GPS，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，伦敦帝国理工学院和位于格拉斯哥的M Squared公司开发的量子传感器可以在GPS失效的情况下帮助船只导航[6]。
伦敦帝国理工学院和位于格拉斯哥的M Squared公司的量子传感器可以在GPS失效的情况下帮助船只导航。
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，该设备可以用来计算位置随时间的变化。
这种量子加速度计可以作为一个不依赖任何外部信号的惯性导航系统的基础。伦敦帝国理工学院冷物质中心的研究员Joseph Cotter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，会在数小时内漂移，而M Squared的设备即使在经历数天后也可忽略这种漂移。”
随着技术发展，设备将越来越紧凑、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，该量子加速度计大约有两台洗衣机那么大，Cotter指出，“我们正在努力使其更加紧凑。”
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-CTRL专注于软件，以增强量子技术。
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。Q-CTRL的创始人兼CEO Michael Biercuk说：“通过我们的软件，我们可以塑造光脉冲——它的频率、幅度、相位——以使其在不改变硬件本身的情况下更有弹性地抑制运动。”
Q-CTRL正在与位于悉尼的惯性导航公司Advanced Navigation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。Biercuk说：“我们的目标是在2023年首次交付可部署的系统。”
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2025年将演示有效载荷发射到低地球轨道。此外，Q-CTRL还是澳大利亚“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Artemis计划。其中，Q-CTRL正在研究一个基于铷的量子原子磁力计，以磁力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”，这种不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物包括被称为“轴子”(axion)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Kent Irwin和他的同事们正在开发一种“暗物质无线电接收器”[7]，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，而量子传感器将放大和探测这些极弱的无线电信号。
由于暗物质无线电探测的频率包括用于无线广播的频率，该设备将需要在液氦中冷却的超导铌金属薄层中进行屏蔽。这可以屏蔽掉人工信号，但很容易被暗物质穿透。Irwin说：“我们现在正在计划一个新版本的暗物质无线电接收器，其体积约为1立方米，我们希望在未来几年内建造它。”
量子物理学也可能有助于实现巨型望远镜阵列[8]。理论上，在太空中相距甚远的多个望远镜可以被组合起来，形成一个数千公里宽的望远镜。用光学望远镜对可见光成像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，纠缠原则上可以实现远距离数据的量子隐形传态。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的量子光学研究人员Paul Kwiat目前正在用桌面实验研究这种“量子增强型望远镜”。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[9]，这是一个能够在量子力学定律的极限附近运行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优化自身，以接近基本的传感极限，最高可达约1.45(一个传感器越接近终极传感极限1，其性能就越好）。他们建议，可编程的量子传感器可以在诸如原子钟和全球定位系统、磁和惯性传感器等设备中找到用途。
总而言之，量子传感器正在带来极高的精度，影响从单一蛋白质到天文学和宇宙学问题的方方面面。
参考链接：
[1]https://spectrum.ieee.org/quantum-sensors
[2]https://www.cercamagnetics.com/
[3]https://www.nature.com/articles/s41586-021-04315-3
[4]https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.1c02868
[5]https://www.nature.com/articles/nature12373
[6]https://spectrum.ieee.org/an-alternative-to-gps
[7]https://irwinlab.sites.stanford.edu/dark-matter-radio-dmradio
[8]https://spectrum.ieee.org/earthsize-radio-telescope-opens-its-eye
[9]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04435-4