量子传感-原子尺度支撑新型传感器热潮

想象一下，传感器亚博排列五投注网站可以探测思想的磁场，帮助月球探测器探测月球岩石中的氧气，或者收听来自暗物质的无线电波。正如量子计算机理论上可以找到经典计算机无法解决的问题的答案一样，新兴一代量子传感器也可以带来新的灵敏度水平，新的应用类型，以及推进一系列领域，技术和科学追求的新机会。亚博排列五投注网站

量子技术依赖于量子效应，因为宇宙可以在最小的水平上变成一个模糊的地方。例如，量子效应被称为叠加允许原子和宇宙的其他构件本质上同时存在于两个或更多的地方，而另一种量子效应被称为纠缠可以连接粒子，使它们能够立即相互影响，而不管它们相距多远。

这些量子效应对于外界干扰是出了名的脆弱．然而,而量子计算机努力克服这一弱点在美国，量子传感器利亚博排列五投注网站用这一弱点，对环境中最轻微的干扰实现了非凡的灵敏度。以下只是目前正在开发和部署的多种量子传感器的一个小样本。亚博排列五投注网站

脑部扫描:大脑内的电流产生磁场，传感器可以通过分析磁场对大脑活动进行无创扫描。亚博排列五投注网站现在，量子传感器正在启用亚博排列五投注网站可穿戴式头盔这样做脑磁图描记术(MEG)扫描具有前所未有的性能和成本。

目前，脑磁图扫描是用超导量子干涉装置(亚博排列五投注网站鱿鱼）.这需要用昂贵的液氦冷却到-269°C，使扫描仪非常大。相比之下，新设备从启动Cerca磁学在英国诺丁汉，每一个都是乐高积木的大小。

每个装置被称为光泵磁强计(OPM)，其中包含一个激光，该激光将光束照射到光探测器上的铷原子云。光束可以使铷原子的磁场排列整齐，使云基本上是透明的。微小的磁场，比如大脑活动产生的磁场，会干扰这些原子，使它们能够吸收光，光探测器可以感应到光，激光会重置云，这样它就能继续对磁场干扰做出反应。

事实上，这些量子传感器在室温下工作，使它们比s亚博排列五投注网站quid体积小得多。这意味着它们可以放置在离人的头部更近的地方，从而产生至少两倍的信号，理论上是五倍的信号，对于毫米精度和毫秒分辨率的大脑表面区域的磁图像来说，说马修·布鲁克斯Cerca主席，诺丁汉大学研究员。

Cerca Magnetics公司表示，即使是活跃的孩子也可以安全地佩戴这种可穿戴式MEG头盔。Cerca磁学

这种传感器体积小、重量轻，这也意味着它们可以安装在可穿戴头盔上，让人们在扫亚博排列五投注网站描过程中自由移动，而不是像目前的情况那样，让他们长时间保持静止不动。此外，它可以适应不同的头部形状和大小，使得它不仅可以扫描成人，还可以扫描儿童和婴儿。此外，布鲁克斯说:“原则上，使用opm的MEG比使用squid便宜得多。”“即使是现在，在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，具有相同的性能。”

Cerca扫描仪可以帮助探测神经系统疾病，如癫痫、脑震荡、痴呆和精神分裂症，“有助于揭示许多严重和衰弱的疾病，”他说。

未来的研究可以致力于推动这些传感器更接近其理论灵敏度极限，允许更多的自由运动亚博排列五投注网站，也许让人们走路，并补充说虚拟现实和机器学习布鲁克斯说，这是为了提高研究人员在实验和分析方面使用扫描仪的能力。

重力映射:一个新的量子传感器可以绘制出地球引力场的强度可以帮助揭示隐藏在地下的特征。

任何有质量的东西都有一个引力场。磁场拉力的大小取决于物体的质量。由于地球的质量不是均匀分布的，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,重力映射已经发现了大规模地质活动的细节，但是在米的尺度上使用这种重力制图是具有挑战性的，因为需要很长的测量时间来考虑当地的噪音，比如附近交通的振动。

新的量子传感器使用铷原子云冷却到绝对零度以上的百万分之几摄氏度。激光脉冲驱动原子进入叠加状态，两个版本的原子沿着略微不同的轨迹下落，然后这些原子重新组合。然后，由于波粒二象性这是一种量子现象，粒子可以像波一样行动，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。分析这种干扰的性质，一种被称为原子干涉测量法，可以揭示在它们各自的路径上感受到的略有不同的引力的程度。

该传感器采用沙漏设计，设备的每半部分各有一片云，垂直间隔1米。因此，该传感器可以分析同一地点两个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各样的噪声源。在实验中，该传感器可以探测到埋在英国伯明翰市两座多层建筑之间路面下约0.5米处的一条2米乘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，监测火山活动和地下水流动。

最初的冰箱大小的传感器重约300公斤，功率约为750瓦。科学家们现在正在努力制造一个背包大小的传感器，重约20公斤，由电池驱动迈克尔Holynski他是英国伯明翰大学的实验物理学家，也是创业公司Delta-G的负责人，该公司正在将这种传感器商业化。“目前的目标是在未来两年内实现下一代传感器的商业原型，”他说。“传感器本身的早期市场价值约为1亿英镑。亚博排列五投注网站然而，他们将创造的数据更有价值，与英国GDP的几个百分点的应用相关。”

检测COVID:另一种很有前途的量子传感器可能会导致更快、更便宜、更准确地检测SARS-CoV-2病毒全球大流行的背后。它依赖于内部有缺陷的微小人造钻石，其中一个碳原子被一个氮原子取代，相邻的碳原子缺失。晶体中的这种缺陷就像一个微小的磁铁，它的排列对磁场非常敏感，有助于“氮-空位中心充当传感器。亚博排列五投注网站

这项新技术涉及到涂层nitrogen-vacancy-center钻石大约25纳米宽，带有磁性化合物，这些化合物在与SARS-CoV-2病毒的特定RNA序列结合后从宝石上分离出来。当这些钻石被绿光照亮时，它们就会发出红光。磁性涂层使这种辉光变暗;将传感器暴露在病毒中可以增亚博排列五投注网站加这种发光。

的目前新冠病毒的黄金标准测试病毒需要几个小时来复制足够的病毒遗传物质以供检测。此外，它不能准确地量化存在的病毒数量，可能有超过25%的假阴性率。相比之下，计算机模拟表明，理论上，新的检测方法只需一秒钟就能完成，灵敏度足以检测到几百股病毒RNA，假阴性率可能低于1%。

上述用于检测SARS-CoV-2病毒存在的量子传感器仅使用低成本材料。根据研究人员的说法，这些设备可以扩大规模，一次分析一整批样本。麻省理工学院

测试中使用的纳米钻石和其他材料都很便宜。此外，这种新方法可以适应几乎任何病毒，包括任何可能出现的新病毒，通过调整磁性涂层来匹配目标病毒。他们目前正在合成和测试传感器，看看它们的实际性能如何。亚博排列五投注网站“我们希望很快得到有希望的结果，”研究人员说畅好李他是麻省理工学院的量子工程师。

探测细胞和分子的:量子钻石传感器也可用于亚博排列五投注网站细胞内的温度计．金刚石中的氮空位中心对微小的温度波动非常敏感。物理学家彼得·毛雷尔他和他的同事们将具有这种缺陷的纳米级钻石注入活细胞，并研究了晶体对激光束的反应，以便将细胞内的温度绘制到千分之几摄氏度。

实验物理学家说:“你可以想象使用这种原子级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中的主要问题。大卫Awschalom他是阿贡国家实验室的研究员，也是Q-NEXT联盟的负责人。

此外，Maurer和他的同事们正在研究用带有氮空位中心的钻石对分子进行核磁共振扫描。“有了量子传感器，你可以对单亚博排列五投注网站个分子进行核磁共振成像，以了解它们的结构和功能之间的关系，这可以从根本上提高我们对医学的理解，”Awschalom说。

科学家们开发了一种新的方式将单个蛋白质和DNA分子拴在含有氮空位中心的钻石表面。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，它们在哪里，是什么让它们在一起，”Awschalom说。

量子加速度计:世界现在严重依赖全球导航卫星系统，如全球定位系统(GPS)但是，帮助实现这种定位、导航和授时的卫星链路不起作用地下或者在水下容易受到干扰,欺骗和天气。现在，来自伦敦帝国理工学院和格拉斯哥公司M Squared的量子传感器可以帮助船只导航，即使在水下GPS被拒绝．

量子传感器是一种原子干涉仪，就像重力测绘装置一样。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或旋转，该设备可以利用这些数据来计算其位置随时间的变化。

这种量子加速度计可以作为不依赖任何外部信号的惯性导航系统的基础。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几小时内漂移，而M Squared的设备即使在几天后也会经历可以忽略不计的漂移约瑟夫销他是伦敦帝国理工学院冷物质中心的研究员。

科特说:“这种新兴量子技术的早期采用者可能是那些对水下和水面交通工具的远程导航感兴趣的人。”“然而，随着技术的发展，它变得越来越紧凑，成本也越来越低，通过在船舶、火车和飞机上的应用，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。科特指出，目前量子加速度计“大约有两台洗衣机那么大”。“我们正在努力让它变得更紧凑。”

量子软件:大多数量子传感器公司都专注于硬件，总部位于悉尼的初创公司Q-CTRL专注于软件增强量子技术。“当你把量子传感器从原始的实验室环境带到野外时亚博排列五投注网站，你经常会看到由于平台上的噪音而导致性能的巨大下降，”他说Michael Biercuk他是Q-CTRL的首席执行官和创始人。“我们的重点是用量子控制软件重新获得这种性能。”

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亚博排列五投注网站何变化，但设备中的任何运动都会导致原子移动到激光束之外。Biercuk说:“通过我们的软件，我们可以塑造光脉冲的频率、幅度和相位，使其在不改变硬件本身的情况下对运动更有弹性。”

Q-CTRL正在与总部位于悉尼的惯性导航公司合作先进的导航开发一种基于铷的原子干涉仪惯性导航系统，该系统可以安装在不到1立方米的空间内，并且可以在没有gps的地区工作。Biercuk说:“我们的目标是在2023年交付第一批可用于现场的系统。

该公司还计划在卫星上安装原子干涉仪，以比目前成本低100倍的价格从太空进行重力测绘，预计将于2025年向近地轨道发射示范有效载荷。此外，Q-CTRL还是澳大利亚七姐妹航天工业联盟的成员之一新的月球车以支持美国宇航局的阿尔忒弥斯计划，在该计划中，Q-CTRL正在研究一种基于铷的量子原子磁力仪，用于对月球岩石中的氧进行磁力分析。

暗物质，巨型望远镜;量子传感器可能有亚博排列五投注网站助于探测地球以外的物质。例如，宇宙中最大的谜团之一是……的性质和身份暗物质这种无形的物质被认为构成了宇宙中六分之五的物质。暗物质的主要理论候选者包括被称为就可以原则上，质子的质量极低，最多只有质子质量的万亿分之一，这使得它们很难被探测到。

斯坦福大学的量子物理学家肯特·欧文和他的同事正在开发一种“暗物质无线电来探测轴子和类似的暗物质候选者。装置中的强力磁铁会将轴子转化为无线电波，并且量子传感器亚博排列五投注网站将致力于放大和探测这些极其微弱的无线电信号。

由于暗物质无线电将探测的频率将包括用于空中广播的频率，因此该设备将需要在液氦冷却的超导铌金属薄层内进行屏蔽。这将屏蔽掉人造信号，但很容易被暗物质穿透。欧文说:“我们现在正在计划一个大约一立方米的暗物质无线电版本，我们希望在未来几年内建成。”

欧文说，量子物理学也可能有助于实现巨大的望远镜阵列。从理论上讲，分散在太空中的多个望远镜可以组合成一个整体一个数千公里宽的望远镜．

用光学望远镜成像可见光形成这样的阵列是困难的，因为连接这些望远镜的光纤中不可避免地会出现随机波动。然而，纠缠在原则上可以允许量子隐形传态远距离的数据。

量子光学研究员保罗Kwiat伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员目前正在研究这种“quantum-enhanced望远镜使用法用桌面实验。“它仍然非常遥远，但也是一个真正的圣杯，一个令人难以置信的令人兴奋的月球拍摄，”欧文说。他说，原则上，一个直径与地球差不多的望远镜阵列可能会显示出附近恒星上城市的大小。

数不清的限制:最近，奥地利的科学家们研究出第一个可编程量子传感器这是一种能够在量子力学定律规定的基本极限附近运行的前所未有的灵敏度设备。

在这项工作中，他们对量子计算机进行了编程，让它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量子传感器可以自我优化到接近基本传感极限的1.45倍。(传感器越接近传感极限1，其性能越好。)他们认为，可编程量子传感器可以用于原子钟、全球定位系统以及磁传感器和惯性传感器亚博排列五投注网站等设备。

总而言之，“量子传感器正以极高的精度出现，亚博排列五投注网站覆盖从单个蛋白质到天文学和宇宙学的所有问题，”Awschalom说。

本文以“量子传感器热潮指南”为题刊登在2022年6月的印刷版上。