量子技術推動新的傳感器熱潮

IMPERIAL COLLEGE LONDON/M SQUARED

想象一下，傳感器可以探測思想的磁場、幫助月球車探測月球巖石中的氧氣，或者接收來自暗物質的無線電波。正如量子計算機可以從理論上找到經典計算機無法解決的問題的答案一樣，新一代量子傳感器也可以帶來新的敏感度、新的應用種類，以及推動一系列領域、技術和科學探索的新機會。

量子技術依賴于可能產生的量子效應。例如，被稱為“疊加”的量子效應允許原子和宇宙的其他組成部分基本上同時存在于兩個或更多的地方，而另一個被稱為“糾纏”的量子效應可以將粒子聯系起來，因此被連接的粒子可以立即影響對方，無論它們相距多遠。

然而，這些量子效應非常容易受到外界干擾。盡管量子計算機努力克服這一弱點，量子傳感器卻利用這一弱點，對環境中最輕微的干擾實現了非凡的靈敏度。下面是目前正在開發和部署的多種量子傳感器的一個小樣本。

BRAIN SCANS：大腦中的電流產生磁場，傳感器可以分析磁場，無創掃描大腦活動?，F在，量子傳感器使可穿戴頭盔能夠以前所未有的性能和成本進行此類腦磁圖（MEG）掃描。

目前，MEG掃描是用被稱為超導量子干涉裝置（SQUID）的傳感器進行的。這些需要用昂貴的液氦冷卻到-269°C，使得掃描儀非常大。相比之下，英國諾丁漢Cerca Magnetics初創公司推出的新設備，每個都只有樂高積木那么大。

Cerca的設備被稱為“光學泵浦磁力計”（OPM），其中包含一個激光器：它通過銣原子云向一個光探測器照射光束。具體原理是，該光束可以使銣原子的磁場全部排成一行，使銣原子云層基本透明；來自大腦活動的微小磁場可以干擾這些原子，使它們能夠吸收光探測器可以感知的光，而激光可以重置云，以便它可以繼續對磁干擾做出反應。

這些量子傳感器在室溫下工作的事實使它們比SQUID體積小得多。Cerca公司主席、諾丁漢大學研究員Matthew Brookes表示，這意味著，對于精度為毫米、分辨率為毫秒的大腦表面磁圖像，它們可以放得離人的頭部更近，從而產生至少兩倍的信號，理論上可以高達五倍的信號。

CERCA MAGNETICS

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，讓人們在掃描過程中自由移動，而不是像目前這樣讓傳感器長時間保持靜止。此外，它可以適應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。此外，Brookes說：“原則上，使用OPMs的MEG要比使用SQUID便宜得多。即使是現在，在早期使用OPMs時，一個完整的MEG成像系統的價格仍然是SQUID系統的一半，以獲得類似的性能?！?Cerca掃描儀可以幫助探測癲癇、腦震蕩、癡呆和精神分裂癥等神經系統疾病，“有助于揭示許多嚴重和衰弱的情況，”他說。

Brookes表示，未來的研究目標可以是使這些傳感器更接近其靈敏度的理論極限，允許更多的運動自由，并添加虛擬現實和機器學習，以提高研究人員在實驗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的強度圖，有助于揭示隱藏在地下的特征。

任何有質量的東西都有引力場。這個磁場的拉力取決于物體的質量。由于地球的質量分布不均勻，這意味著地球的引力在某些地方比其他地方更強。

幾十年來，重力制圖揭示了大規模地質活動的細節，但在米的尺度上使用這種重力制圖是一項挑戰，因為需要很長的測量時間來解釋當地的噪音，例如附近交通的振動。

新的量子傳感器使用冷卻到絕對零度以上幾百萬分之一攝氏度的銣原子云。激光脈沖驅動原子進入疊加狀態，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動的量子現象，反之亦然，這些原子在量子力學上相互干擾，它們的波峰和波谷相互增強或抑制。通過分析這種干涉的性質，一種被稱為原子干涉術的技術，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計，設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兩個分析不同高度的地球重力強度。通過比較來自這些云的數據，研究人員可以解釋各種噪聲源。在實驗中，該傳感器可以檢測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2×2米的公用隧道。

該傳感器的潛在應用包括發現隱藏的地下結構、探測地下自然資源、發現地下考古遺址以及監測火山活動和地下水流。

英國伯明翰大學的科學家們現在正在努力建造一個背包大小的傳感器，重量約為20公斤，靠電池提供能源，并計劃將該傳感器商業化。

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