量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用

量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用-量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用01目錄Content量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用量子傳感器是根據(jù)量子力學(xué)規(guī)律、利用量子效應(yīng)設(shè)計(jì)的、用于執(zhí)行對(duì)系統(tǒng)被測(cè)量進(jìn)行變換的物理裝置量子傳感器運(yùn)用了量子態(tài)的極端敏感性，但要使它們切實(shí)可行、落地應(yīng)用是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用一、量子傳感器的定義一項(xiàng)技術(shù)怎樣才能認(rèn)為是量子技術(shù)？業(yè)內(nèi)研究員普遍認(rèn)為，遵循量子力學(xué)規(guī)律，利用量子的疊加性與糾纏性等量子效應(yīng)的技術(shù)，都可嚴(yán)格地認(rèn)為是量子技術(shù)近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)利用量子力學(xué)的基本屬性，例如量子相干，量子糾纏，量子統(tǒng)計(jì)等特性，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。因此，基于量子力學(xué)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量進(jìn)行高精度的測(cè)量稱(chēng)為量子傳感在量子傳感中，電磁場(chǎng)、溫度、壓力等外界環(huán)境直接與電子、光子、聲子等體系發(fā)生相互作用并改變它們的量子狀態(tài)，最終通過(guò)對(duì)這些變化后的量子態(tài)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境的高靈敏度測(cè)量。而利用當(dāng)前成熟的量子態(tài)操控技術(shù)，可以進(jìn)一步提高測(cè)量的靈敏度。因此，這些電子、光子、聲子等量子體系就是一把高靈敏度的量子"尺子"——量子傳感器量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用(1)利用量子效應(yīng)、根據(jù)相應(yīng)量子算法設(shè)計(jì)的、用于執(zhí)行變換功能的物理裝置(2)為了滿足對(duì)被測(cè)量進(jìn)行變換,某些部分細(xì)微到必須考慮其量子效應(yīng)的變換元件。不管從哪個(gè)方面定義,量子傳感器都必須遵循量子力學(xué)規(guī)律?？梢哉f(shuō),量子傳感器就是根據(jù)量子力學(xué)規(guī)律、利用量子效應(yīng)設(shè)計(jì)的、用于執(zhí)行對(duì)系統(tǒng)被測(cè)量進(jìn)行變換的物理裝置比如量子雷達(dá)技術(shù)，就運(yùn)用了量子糾纏原理。根據(jù)物理學(xué)家SethLloyd的理論方案，這個(gè)過(guò)程包括將一系列糾纏光子對(duì)中的一半從一個(gè)物體上彈回來(lái)，然后將返回的光子與被阻擋的光子進(jìn)行比較這樣做的目的是將最初發(fā)出的輻射與強(qiáng)噪聲源區(qū)分開(kāi)來(lái)，發(fā)現(xiàn)隱形飛機(jī)等普通雷達(dá)無(wú)法探測(cè)到的物體，并將雷達(dá)操作員隱藏起來(lái)與蓬勃發(fā)展的生物傳感器一樣,量子傳感器應(yīng)由產(chǎn)生信號(hào)的敏感元件和處理信號(hào)的輔助儀器兩部分組成,其中敏感元件是傳感器的核心,它利用的是量子效應(yīng)所謂量子傳感器，可以從兩方面加以定義量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用二、量子傳感器的特性傳感器的性能品質(zhì)主要從準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和靈敏度等方面加以評(píng)價(jià)結(jié)合量子傳感器的自身特點(diǎn),可以從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮量子傳感器的性能量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用(1)非破壞性在量子控制中,由于測(cè)量可能會(huì)引起被測(cè)系統(tǒng)波函數(shù)約化,同時(shí),傳感器也可能引起系統(tǒng)狀態(tài)變化,因此,在測(cè)量中,要充分考慮量子傳感器與系統(tǒng)的相互作用因?yàn)榱孔涌刂浦械臓顟B(tài)檢測(cè)與經(jīng)典控制中的狀態(tài)檢測(cè)存在本質(zhì)上的不同,測(cè)量可能引起的狀態(tài)波函數(shù)約化過(guò)程暗示了對(duì)狀態(tài)的測(cè)量已經(jīng)破壞了狀態(tài)本身,因此,非破壞性是量子傳感器應(yīng)重點(diǎn)考慮的方面之一在進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)時(shí),可以考慮將量子傳感器作為系統(tǒng)的一部分加以考慮,或者作為系統(tǒng)的擾動(dòng),將傳感器與被測(cè)對(duì)象相互作用的哈密頓考慮在整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的演化之中量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用(2)實(shí)時(shí)性根據(jù)量子控制中測(cè)量的特點(diǎn),特別是狀態(tài)演化的快速性,使得實(shí)時(shí)性成為量子傳感器品質(zhì)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)實(shí)時(shí)性要求量子傳感器的測(cè)量結(jié)果能夠較好的與被測(cè)對(duì)象的當(dāng)前狀態(tài)相吻合,必要時(shí)能夠?qū)Ρ粶y(cè)對(duì)象量子態(tài)演化進(jìn)行跟蹤,在設(shè)計(jì)量子傳感器時(shí),要考慮如何解決測(cè)量滯后問(wèn)題量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用(3)靈敏性由于量子傳感器的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀對(duì)象被測(cè)量的變換,要求對(duì)象微小的變化也能夠被捕捉,因此,在設(shè)計(jì)量子傳感器時(shí),要考慮其靈敏度能夠滿足實(shí)際要求量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用(4)穩(wěn)定性在量子控制中,被控對(duì)象的狀態(tài)易受環(huán)境影響,量子傳感器在探測(cè)對(duì)象量子態(tài)時(shí)也可能引起對(duì)象或傳感器本身狀態(tài)的不穩(wěn)定,解決的辦法是引入環(huán)境工程的思想,考慮用冷卻阱、低溫保持器等方法加以保護(hù)量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用(5)多功能性量子系統(tǒng)本身就是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),各子系統(tǒng)之間或傳感器與系統(tǒng)之間都易發(fā)生相互作用,實(shí)際應(yīng)用時(shí)總是期望減少人為影響和多步測(cè)量帶來(lái)的滯后問(wèn)題,因此,可以將較多的功能,如采樣、處理、測(cè)量等集成在同一量子傳感器上,并將合適的智能控制算法融入其中,設(shè)計(jì)出智能型的、多功能量子傳感器量子傳感器具有許多經(jīng)典傳感器所不具有的性質(zhì),設(shè)計(jì)量子傳感器時(shí),在重點(diǎn)考慮將量子領(lǐng)域不可直接測(cè)量量變換成可測(cè)量量外,還應(yīng)從非破壞性、實(shí)時(shí)性、靈敏性、穩(wěn)定性、多功能性等方面對(duì)量子傳感器的性能加以評(píng)估量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用三、量子傳感器的應(yīng)用①、微小壓力測(cè)量美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)已經(jīng)研制出一種壓力傳感器，可以有效地對(duì)盒子里的顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)該裝置通過(guò)測(cè)量激光束穿過(guò)氦氣腔和真空腔時(shí)產(chǎn)生的拍頻來(lái)比較真空腔和氦氣腔的壓力氣體中激光頻率的微小變化，以保持共振駐波反映了壓力的微小變化(因?yàn)閴毫Ω淖冋凵渎?。該量子壓力傳感器，加上氦折射率的第一原理計(jì)算，可以作為壓力標(biāo)準(zhǔn)，取代笨重的水銀壓力計(jì)。還可能應(yīng)用于校準(zhǔn)半導(dǎo)體鑄造廠的壓力傳感器，或作為非常精確的飛機(jī)高度計(jì)量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用②、精準(zhǔn)重力測(cè)量光線測(cè)量并不適用于所有的成像工作，作為新的替代補(bǔ)充手段，重力測(cè)量可以很好的反映出某一地方的細(xì)微變化，例如難以接近的老礦井、坑洞和深埋地下的水氣管用此方法，油礦勘探和水位監(jiān)測(cè)也會(huì)變得異常容易利用量子冷原子所開(kāi)發(fā)的新型引力傳感器和量子增強(qiáng)型MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)要比以前的設(shè)備有更高的性能，在商業(yè)上也會(huì)有更重要的應(yīng)用。而低成本MEMS裝置也在構(gòu)想之中，預(yù)計(jì)它將會(huì)只有網(wǎng)球大小，敏感程度要比在智能手機(jī)中使用的運(yùn)動(dòng)傳感器高一百萬(wàn)倍。一旦這項(xiàng)技術(shù)成熟，那么大面積的重力場(chǎng)圖像繪制也就將成為可能量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用③、量子傳感器探測(cè)無(wú)線電頻譜美國(guó)陸軍研究人員研制出了一款新型量子傳感器，可以幫助士兵探測(cè)整個(gè)無(wú)線電頻譜——從0到100吉赫茲(GHz)的通信信號(hào)新型量子傳感器非常小巧，幾乎無(wú)法被其他設(shè)備探測(cè)到，有望讓士兵們?nèi)缁⑻硪?，如可用作通信接收器盡管里德堡原子擁有廣譜靈敏度，但科學(xué)家迄今從未對(duì)整個(gè)運(yùn)行波段的靈敏度進(jìn)行定量描述量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用④、醫(yī)療健康癡呆?。焊鶕?jù)阿爾茨海默病協(xié)會(huì)估計(jì)，全世界每年因癡呆病而造成的經(jīng)濟(jì)損失約有5000億英鎊，這一數(shù)字還在不斷增加而當(dāng)前基于患者問(wèn)卷的診斷形式通常會(huì)使治療手段的選擇可能性被嚴(yán)重限制，只有做好早期的診斷和干預(yù)才可以有更好的效果研究人員正在研究一種稱(chēng)為腦磁圖描記術(shù)(MEG)的技術(shù)可用于早期診斷。但問(wèn)題是該技術(shù)目前需要磁屏蔽室和液氦冷卻操作，這使得技術(shù)推廣變得異常昂貴。而量子磁力儀則可以很好地彌補(bǔ)這方面的缺陷，它靈敏度更高、幾乎不需要冷卻和與屏蔽，更關(guān)鍵的是它的成本更低量子傳感器技術(shù)與應(yīng)用⑤、交通運(yùn)輸和導(dǎo)航交通運(yùn)輸越發(fā)展就越需要了解各種交通工具的準(zhǔn)確位置信息及狀況，這也就對(duì)汽車(chē)、火車(chē)和飛機(jī)所攜帶的傳感器數(shù)量提出了要求，衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備、雷達(dá)傳感器、超聲波傳感器、光學(xué)傳感器等都將逐漸成為標(biāo)配然而有了這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，傳感器技術(shù)的發(fā)展也將面對(duì)新的挑戰(zhàn)自動(dòng)駕駛汽車(chē)和火車(chē)的定位及導(dǎo)航精度被嚴(yán)格要求在10厘米以?xún)?nèi);下一代駕駛輔助系統(tǒng)必須可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)到當(dāng)?shù)乩迕准?jí)的危險(xiǎn)路況。使用基于冷原子的量子