量子技术推动新的传感器热潮

IMPERIAL COLLEGE LONDON/M SQUARED

来源：IEEE电气电子工程师

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。正如量子计算机可以从理论上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、技术和科学探索的新机会。

量子技术依赖于可能产生的量子效应。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。尽管量子计算机努力克服这一弱点，量子传感器却利用这一弱点，对环境中最轻微的干扰实现了非凡的灵敏度。下面是目前正在开发和部署的多种量子传感器的一个小样本。

BRAIN SCANS：大脑中的电流产生磁场，传感器可以分析磁场，无创扫描大脑活动。现在，量子传感器使可穿戴头盔能够以前所未有的性能和成本进行此类脑磁图（MEG）扫描。

目前，MEG扫描是用被称为超导量子干涉装置（SQUID）的传感器进行的。这些需要用昂贵的液氦冷却到-269°C，使得扫描仪非常大。相比之下，英国诺丁汉Cerca Magnetics初创公司推出的新设备，每个都只有乐高积木那么大。

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的事实使它们比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，对于精度为毫米、分辨率为毫秒的大脑表面磁图像，它们可以放得离人的头部更近，从而产生至少两倍的信号，理论上可以高达五倍的信号。

CERCA MAGNETICS

传感器体积小、重量轻，这也意味着它们可以安装在可穿戴的头盔中，让人们在扫描过程中自由移动，而不是像目前这样让传感器长时间保持静止。此外，它可以适应不同的头部形状和大小，不仅可以扫描成人，还可以扫描儿童和婴儿。此外，Brookes说：“原则上，使用OPMs的MEG要比使用SQUID便宜得多。即使是现在，在早期使用OPMs时，一个完整的MEG成像系统的价格仍然是SQUID系统的一半，以获得类似的性能。” Cerca扫描仪可以帮助探测癫痫、脑震荡、痴呆和精神分裂症等神经系统疾病，“有助于揭示许多严重和衰弱的情况，”他说。

Brookes表示，未来的研究目标可以是使这些传感器更接近其灵敏度的理论极限，允许更多的运动自由，并添加虚拟现实和机器学习，以提高研究人员在实验和分析前沿使用扫描仪的能力。

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

任何有质量的东西都有引力场。这个磁场的拉力取决于物体的质量。由于地球的质量分布不均匀，这意味着地球的引力在某些地方比其他地方更强。

几十年来，重力制图揭示了大规模地质活动的细节，但在米的尺度上使用这种重力制图是一项挑战，因为需要很长的测量时间来解释当地的噪音，例如附近交通的振动。

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，两种原子的轨迹略有不同，然后这些原子被重新组合。然后，由于波粒二象性，粒子可以像波一样运动的量子现象，反之亦然，这些原子在量子力学上相互干扰，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术的技术，可以揭示沿其各自路径感受到的轻微不同的引力的程度。

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。

该传感器的潜在应用包括发现隐藏的地下结构、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。

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