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一文读懂量子传感器技术与应用

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  • 发布时间:2020-03-27 14:09
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【概要描述】量子传感器是根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置。量子传感器运用了量子态的极端敏感性,但要使它们切实可行、落地应用是一个极大的挑战。

一文读懂量子传感器技术与应用

【概要描述】量子传感器是根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置。量子传感器运用了量子态的极端敏感性,但要使它们切实可行、落地应用是一个极大的挑战。

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量子传感器是根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置。量子传感器运用了量子态的极端敏感性,但要使它们切实可行、落地应用是一个极大的挑战。

  

一、量子传感器的定义  

一项技术怎样才能认为是量子技术?  

业内研究员普遍认为,遵循量子力学规律,利用量子的叠加性与纠缠性等量子效应的技术,都可严格地认为是量子技术。  

近年来,人们发现利用量子力学的基本属性,例如量子相干,量子纠缠,量子统计等特性,可以实现更高精度的测量。因此,基于量子力学特性实现对物理量进行高精度的测量称为量子传感。在量子传感中,电磁场、温度、压力等外界环境直接与电子、光子、声子等体系发生相互作用并改变它们的量子状态,最终通过对这些变化后的量子态进行检测实现外界环境的高灵敏度测量。而利用当前成熟的量子态操控技术,可以进一步提高测量的灵敏度。因此,这些电子、光子、声子等量子体系就是一把高灵敏度的量子“尺子”——量子传感器。  

 

所谓量子传感器,可以从两方面加以定义:  

(1)利用量子效应、根据相应量子算法设计的、用于执行变换功能的物理装置;  

(2)为了满足对被测量进行变换,某些部分细微到必须考虑其量子效应的变换元件。  

不管从哪个方面定义,量子传感器都必须遵循量子力学规律。可以说,量子传感器就是根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置。  

比如量子雷达技术,就运用了量子纠缠原理。根据物理学家SethLloyd的理论方案,这个过程包括将一系列纠缠光子对中的一半从一个物体上弹回来,然后将返回的光子与被阻挡的光子进行比较。这样做的目的是将最初发出的辐射与强噪声源区分开来,发现隐形飞机等普通雷达无法探测到的物体,并将雷达操作员隐藏起来  

与蓬勃发展的生物传感器一样,量子传感器应由产生信号的敏感元件和处理信号的辅助仪器两部分组成,其中敏感元件是传感器的核心,它利用的是量子效应。  

 

二、量子传感器的特性  

传感器的性能品质主要从准确度、稳定性和灵敏度等方面加以评价。结合量子传感器的自身特点,可以从以下几个方面来考虑量子传感器的性能:  

(1)非破坏性:  

在量子控制中,由于测量可能会引起被测系统波函数约化,同时,传感器也可能引起系统状态变化,因此,在测量中,要充分考虑量子传感器与系统的相互作用。因为量子控制中的状态检测与经典控制中的状态检测存在本质上的不同,测量可能引起的状态波函数约化过程暗示了对状态的测量已经破坏了状态本身,因此,非破坏性是量子传感器应重点考虑的方面之一。在进行实际检测时,可以考虑将量子传感器作为系统的一部分加以考虑,或者作为系统的扰动,将传感器与被测对象相互作用的哈密顿考虑在整个系统状态的演化之中;  

(2)实时性:  

根据量子控制中测量的特点,特别是状态演化的快速性,使得实时性成为量子传感器品质评价的重要指标。实时性要求量子传感器的测量结果能够较好的与被测对象的当前状态相吻合,必要时能够对被测对象量子态演化进行跟踪,在设计量子传感器时,要考虑如何解决测量滞后问题;  

(3)灵敏性:  

由于量子传感器的主要功能是实现对微观对象被测量的变换,要求对象微小的变化也能够被捕捉,因此,在设计量子传感器时,要考虑其灵敏度能够满足实际要求;  

(4)稳定性:  

在量子控制中,被控对象的状态易受环境影响,量子传感器在探测对象量子态时也可能引起对象或传感器本身状态的不稳定,解决的办法是引入环境工程的思想,考虑用冷却阱、低温保持器等方法加以保护;  

(5)多功能性:  

量子系统本身就是一个复杂系统,各子系统之间或传感器与系统之间都易发生相互作用,实际应用时总是期望减少人为影响和多步测量带来的滞后问题,因此,可以将较多的功能,如采样、处理、测量等集成在同一量子传感器上,并将合适的智能控制算法融入其中,设计出智能型的、多功能量子传感器。  

量子传感器具有许多经典传感器所不具有的性质,设计量子传感器时,在重点考虑将量子领域不可直接测量量变换成可测量量外,还应从非破坏性、实时性、灵敏性、稳定性、多功能性等方面对量子传感器的性能加以评估。

  

三、量子传感器的应用  

随着量子控制研究的深入,对敏感元件的要求将越来越高,传感器自身的发展也有向微型化、量子型发展的趋势,量子效应将不可避免的在传感器中扮演重要角色,各种量子传感器将在量子控制、状态检测等方面得到广泛应用。  

①、微小压力测量  

美国国家标准与技术研究所(NIST)已经研制出一种压力传感器,可以有效地对盒子里的颗粒进行计数。该装置通过测量激光束穿过氦气腔和真空腔时产生的拍频来比较真空腔和氦气腔的压力。气体中激光频率的微小变化,以保持共振驻波反映了压力的微小变化(因为压力改变折射率)  

该量子压力传感器,加上氦折射率的第一原理计算,可以作为压力标准,取代笨重的水银压力计。还可能应用于校准半导体铸造厂的压力传感器,或作为非常精确的飞机高度计。  

②、精准重力测量  

光线测量并不适用于所有的成像工作,作为新的替代补充手段,重力测量可以很好的反映出某一地方的细微变化,例如难以接近的老矿井、坑洞和深埋地下的水气管。用此方法,油矿勘探和水位监测也会变得异常容易。  

利用量子冷原子所开发的新型引力传感器和量子增强型MEMS(微电子机械系统)技术要比以前的设备有更高的性能,在商业上也会有更重要的应用。  

而低成本MEMS装置也在构想之中,预计它将会只有网球大小,敏感程度要比在智能手机中使用的运动传感器高一百万倍。一旦这项技术成熟,那么大面积的重力场图像绘制也就将成为可能。  

MEMS传感器在量子成像读出上至少有几个量级幅度上的进步。来自格拉斯哥大学和桥港大学的研究人员开发了一种We-g检测器,We-g是一种基于MEMS的重力仪,它比传统的重力传感器轻得多,而且可能比传统的重力传感器便宜得多。  

We-g传感器利用量子光源来改善设备精度,即便是更小的物体也可以被检测到——或有助于雪崩与地震灾害中的救援行动,以及帮助建筑行业确定地下的详细状况,减少由于意外危险造成的工程延误,并摆脱对昂贵的勘探挖掘的依赖。  

另外,常规性地球遥感观测也可以通过精确重力测量来实现,监测的范包括地下水储量、冰川及冰盖的变化。  

③、量子传感器探测无线电频谱  

美国陆军研究人员研制出了一款新型量子传感器,可以帮助士兵探测整个无线电频谱——从0100吉赫兹(GHz)的通信信号。  

新型量子传感器非常小巧,几乎无法被其他设备探测到,有望让士兵们如虎添翼,如可用作通信接收器。  

尽管里德堡原子拥有广谱灵敏度,但科学家迄今从未对整个运行波段的灵敏度进行定量描述。  

相比于传统接收器,新量子传感器体积更小,而且其灵敏度可与其他电场传感器技术——如电光晶体和偶极天线耦合的无源电子设备等相媲美。  

目前,陆军科学家计划进一步锤炼最新技术,提高这款量子传感器的灵敏度,使其能探测到更弱的信号,并扩展用于探测更复杂波形的协议。  

然而,有关量子传感器的想象力还不止于此:量子磁性传感器的发展将大幅降低磁脑成像的成本,有助于该项技术的推广;而用于测量重力的量子传感器将有望改变人们对传统地下勘测工作繁杂耗时的印象;即便在导航领域,往往导航卫星搜索不到的地区,就是量子传感器所提供的惯性导航的用武之地。  

④、医疗健康  

痴呆病:根据阿尔茨海默病协会估计,全世界每年因痴呆病而造成的经济损失约有5000亿英镑,这一数字还在不断增加。而当前基于患者问卷的诊断形式通常会使治疗手段的选择可能性被严重限制,只有做好早期的诊断和干预才可以有更好的效果。  

研究人员正在研究一种称为脑磁图描记术(MEG)的技术可用于早期诊断。但问题是该技术目前需要磁屏蔽室和液氦冷却操作,这使得技术推广变得异常昂贵。而量子磁力仪则可以很好地弥补这方面的缺陷,它灵敏度更高、几乎不需要冷却和与屏蔽,更关键的是它的成本更低。  

癌症:一种名为微波断层成像的技术已应用于乳腺癌的早期检测多年,而量子传感器则有助于提高这种技术的灵敏度与显示分辨率。与传统的X光不同,微波成像不会将乳房直接暴露于电离辐射之下。  

此外,基于金刚石的量子传感器也使得在原子层级上研究活体细胞内的温度和磁场成为了可能,这为医学研究提供了新的工具。  

心脏疾病:心律失常通常被看作是发达国家的第一致死杀手,而该病症的病理特征就是时快时慢的不规则心跳速度。目前正在开发中的磁感应断层摄影技术被视作可以诊断纤维性颤动并研究其形成机制的工具,量子磁力仪的出现会大大提升这一技术的应用效果,在成像临床应用、病患监测和手术规划等方面都会大有益处。  

⑤、交通运输和导航  

交通运输越发展就越需要了解各种交通工具的准确位置信息及状况,这也就对汽车、火车和飞机所携带的传感器数量提出了要求,卫星导航设备、雷达传感器、超声波传感器、光学传感器等都将逐渐成为标配。  

然而有了这些还远远不够,传感器技术的发展也将面对新的挑战。自动驾驶汽车和火车的定位及导航精度被严格要求在10厘米以内;下一代驾驶辅助系统必须可以随时监测到当地厘米级的危险路况。使用基于冷原子的量子传感器,导航系统不但可以将位置信息精确到厘米,还必须具备在诸如水下、地下和建筑群中等导航卫星触及不到的地方工作的能力。  

与此同时,其他类型的量子传感器也在不断发展之中(例如工作在太赫兹波段的传感器),它们可以将道路评估的精度精确到毫米级。此外,最初为原子钟而开发的基于激光的微波源也可以提升机场雷达系统的工作范围和工作精度。  

 

四、量子传感器革命还有多远?  

许多专家说,世界正处在第二次量子革命的边缘。能量量子化通过晶体管和激光为人类带来了现代电子技术,但随着人类操纵单个原子和电子的能力迅速发展,可能会改变通讯、能源、医药和国防等行业。这在英国和欧盟为了将寻求将量子技术商业化引发了大资金的特殊项目,同时在美国最近颁布了国家量子计划(美国光学学会是其中创始合伙人),并且中国和其他国家将花费数十亿美元在未来几年进行相关研究。  

美国陆军研究实验室传感器与电子设备局物理学家QudsiaQuraishi博士指出,下一代精确传感系统涉及量子传感器,量子传感器基于激光冷却原子,极可能大幅提升系统性能。激光冷却原子是小型相干气体原子,可以测量重力场或磁场变化,不仅非常精确,而且灵敏度很高。  

许多从事量子传感器研究的科学家都成立了公司来将他们的技术商业化,但很少有真正的产品上市。  

其实在量子技术中,人们谈论最多的是量子计算机。理论上,量子计算机功能强大,可以在短短几分钟内破解互联网安全的底层代码。但是全尺寸量子计算机的问世可能还需要几十年的时间。相比之下,利用量子现象加密而非破解密码的设备正开始出现在市场上。  

不过,许多科学家相信量子将在传感领域获得第一次真正的商业成功。这是因为传感可以利用量子计算机的一个特性:量子态对环境异常敏感,而这正是制造量子计算机如此困难的原因。无论它们是对被埋物体的引力做出反应,还是接收人类大脑的磁场,量子传感器都能探测到来自周围世界的各种微弱信号。英国伯明翰大学的物理学家KaiBongs说他认为,特别是重力测量量子传感器,“将很快得到更广泛的应用”,其潜在市场可能达到每年10亿美元。  

然而,除了某些瞄准机会的市场外,量子传感器的竞争力还有待观察。它们通常比它们的经典对手体积更大、更复杂——正如巴黎SYRTE计量实验室的FranckPereiraDosSantos指出的那样,多年来它们从巨额投资中受益。他认为,量子技术有时会被那些缺乏制造传感器实际经验的人夸大。  

但无论如何,量子理论的创立是20世纪最辉煌的成就之一,它揭示了微观领域物质的结构、性质和运动规律,把人们的视角从宏观领域引入到微观系统。  

而且,当前,利用电子、光子、声子等量子体系已经可以实现对电磁场、温度、压力、惯性等物理量的高精度量子传感,实验演示了量子超分辨显微镜、量子磁力计、量子陀螺等,并应用在材料、生物等相关学科研究中。  

所以,虽然量子传感器实现量产推向市场会是道阻且长,但相信未来随着相关技术的逐渐成熟,量子传感器将在国计民生方面得到广泛应用。

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