量子技術(shù)推動(dòng)新的傳感器熱潮

1、量子技術(shù)推動(dòng)新的傳感器熱潮想象一下，傳感器可以探測(cè)思想的磁場(chǎng)、幫助月球車探測(cè)月球巖石中的氧 氣，或者接收來(lái)自暗物質(zhì)的無(wú)線電波。正如量子計(jì)算機(jī)可以從理論上找到經(jīng)典 計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題的答案一樣，新一代量子傳感器也可以帶來(lái)新的敏感 度、新的應(yīng)用種類，以及推動(dòng)一系列領(lǐng)域、技術(shù)和科學(xué)探索的新機(jī)會(huì)。量子技術(shù)依賴于可能產(chǎn)生的量子效應(yīng)。例如，被稱為“疊加”的量子效應(yīng) 允許原子和宇宙的其他組成局部基本上同時(shí)存在于兩個(gè)或更多的地方，而另一 個(gè)被稱為“糾纏”的量子效應(yīng)可以將粒子聯(lián)系起來(lái)，因此被連接的粒子可以立 即影響對(duì)方，無(wú)論它們相距多遠(yuǎn)。然而，這些量子效應(yīng)非常容易受到外界干擾。盡管量子計(jì)算機(jī)努力克服這 一弱點(diǎn)

2、，量子傳感器卻利用這一弱點(diǎn)，對(duì)環(huán)境中最輕微的干擾實(shí)現(xiàn)了非凡的靈 敏度。下面是目前正在開發(fā)和部署的多種量子傳感器的一個(gè)小樣本。BRAIN SCANS：大腦中的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，傳感器可以分析磁場(chǎng)，無(wú)創(chuàng)掃描 大腦活動(dòng)。現(xiàn)在，量子傳感器使可穿戴頭盔能夠以前所未有的性能和本錢進(jìn)行 此類腦磁圖（MEG）掃描。目前，MEG掃描是用被稱為超導(dǎo)量子干涉裝置（SQUID）的傳感器進(jìn)行 的。這些需要用昂貴的液氯冷卻到-269 C,使得掃描儀非常大。相比之下， 英國(guó)諾丁漢Cerca Magnetics初創(chuàng)公司推出的新設(shè)備，每個(gè)都只有樂(lè)高積木那 么大。Cerca的設(shè)備被稱為“光學(xué)泵浦磁力計(jì)（OPM）,其中包含一個(gè)激光 器

3、：它通過(guò)鋤原子云向一個(gè)光探測(cè)器照射光束。具體原理是，該光束可以使枷 原子的磁場(chǎng)全部排成一行，使鋤原子云層基本透明；來(lái)自大腦活動(dòng)的微小磁場(chǎng) 可以干擾這些原子，使它們能夠吸收光探測(cè)器可以感知的光，而激光可以重置 云，以便它可以繼續(xù)對(duì)磁干擾做出反響。這些量子傳感器在室溫下工作的事實(shí)使它們比SQUID體積小得多。Cerca 公司主席、諾丁漢大學(xué)研究員Matthew Brookes表示，這意味著，對(duì)于精度為 毫米、分辨率為毫秒的大腦外表磁圖像，它們可以放得離人的頭部更近，從而 產(chǎn)生至少兩倍的信號(hào)，理論上可以高達(dá)五倍的信號(hào)。傳感器體積小、重量輕，這也意味著它們可以安裝在可穿戴的頭盔中，讓第1頁(yè)共3頁(yè) 人們

4、在掃描過(guò)程中自由移動(dòng)，而不是像目前這樣讓傳感器長(zhǎng)時(shí)間保持靜止。此 外，它可以適應(yīng)不同的頭部形狀和大小，不僅可以掃描成人，還可以掃描兒童 和嬰兒。此夕卜,Brookes說(shuō)：“原那么上，使用OPMs的MEG要比使用SQUID 廉價(jià)得多。即使是現(xiàn)在，在早期使用OPMs時(shí)，一個(gè)完整的MEG成像系統(tǒng)的 價(jià)格仍然是SQUID系統(tǒng)的一半，以獲得類似的性能。 Cerca掃描儀可以幫 助探測(cè)癲癇、腦震蕩、癡呆和精神分裂癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病，“有助于揭示許多 嚴(yán)重和衰弱的情況，”他說(shuō)。Brookes表示，未來(lái)的研究目標(biāo)可以是使這些傳感器更接近其靈敏度的理 論極限，允許更多的運(yùn)動(dòng)自由，并添加虛擬現(xiàn)實(shí)和機(jī)器學(xué)習(xí)，以提高研

5、究人員 在實(shí)驗(yàn)和分析前沿使用掃描儀的能力。GRAVITY MAPPING： 一種新的量子傳感器可以繪制地球重力場(chǎng)的強(qiáng)度圖， 有助于揭示隱藏在地下的特征。任何有質(zhì)量的東西都有引力場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)的拉力取決于物體的質(zhì)量。由于 地球的質(zhì)量分布不均勻，這意味著地球的引力在某些地方比其他地方更強(qiáng)。幾十年來(lái)，重力制圖揭示了大規(guī)模地質(zhì)活動(dòng)的細(xì)節(jié)，但在米的尺度上使用 這種重力制圖是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰荛L(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間來(lái)解釋當(dāng)?shù)氐脑胍?，例?附近交通的振動(dòng)。新的量子傳感器使用冷卻到絕對(duì)零度以上幾百萬(wàn)分之一攝氏度的枷原子 云。激光脈沖驅(qū)動(dòng)原子進(jìn)入疊加狀態(tài)，兩種原子的軌跡略有不同，然后這些原 子被重新組合。然后，由于波粒二象性，粒子可以像波一樣運(yùn)動(dòng)的量子現(xiàn)象， 反之亦然，這些原子在量子力學(xué)上相互干擾，它們的波峰和波谷相互增強(qiáng)或抑 制。通過(guò)分析這種干涉的性質(zhì)，一種被稱為原子干涉術(shù)的技術(shù)，可以揭示沿其 各自路徑感受到的輕微不同的引力的程度。該傳感器采用沙漏式設(shè)計(jì)，設(shè)備的每一半都有一朵原子云，相互間在垂直 方向上相隔1米。因此，該傳感器可以在同一地點(diǎn)兩個(gè)分析不同高度的地球重 力強(qiáng)度。通過(guò)比擬來(lái)自這些云的數(shù)據(jù)，研究人員可以解釋各種噪聲源。在實(shí)驗(yàn) 中，該傳感器可以檢測(cè)到埋在英格蘭伯明翰市兩座多層建筑之間路面下約0.5 米的2義2米的公用隧道。該傳感器的潛在應(yīng)用包括發(fā)現(xiàn)隱藏的地下結(jié)構(gòu)、探測(cè)地下自然資源、發(fā)