量子傳感是依據(jù)量子熱學(xué)規(guī)律、利用量子效應(yīng)設(shè)計的、用于執(zhí)行對系統(tǒng)被檢測進(jìn)行變換的數(shù)學(xué)裝置。量子傳感運用了量子態(tài)的極端敏感性，但要使它們著力可行、落地應(yīng)用是一個極大的挑戰(zhàn)。
一、量子傳感的定義
一項技術(shù)如何能夠覺得是量子技術(shù)？
業(yè)內(nèi)研究員普遍覺得量子傳輸技術(shù)，遵守量子熱學(xué)規(guī)律，借助量子的疊加性與糾纏性等量子效應(yīng)的技術(shù)，都可嚴(yán)格地覺得是量子技術(shù)。
近些年來，人們發(fā)覺借助量子力學(xué)的基本屬性，比如量子相干，量子糾纏，量子統(tǒng)計等特點，可以實現(xiàn)更高精度的檢測。為此，基于量子熱學(xué)特點實現(xiàn)對化學(xué)量進(jìn)列寬精度的檢測稱為量子傳感器。在量子傳感器中，電磁場、溫度、壓力等外界環(huán)境直接與電子、光子、聲子等體系發(fā)生互相作用并改變它們的量子狀態(tài)，最終通過對這種變化后的量子態(tài)進(jìn)行測量實現(xiàn)外界環(huán)境的高靈敏度檢測。而借助當(dāng)前成熟的量子態(tài)操控技術(shù)，可以進(jìn)一步提升檢測的靈敏度。為此，這種電子、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。
所謂量子傳感，可以從兩方面加以定義：
(1)借助量子效應(yīng)、根據(jù)相應(yīng)量子算法設(shè)計的、用于執(zhí)行變換功能的化學(xué)裝置;
(2)為了滿足對被檢測進(jìn)行變換,個別部份細(xì)微到必須考慮其量子效應(yīng)的變換器件。
不管從那個方面定義,量子傳感都必須遵守量子熱學(xué)規(guī)律?？梢哉f,量子傳感就是按照量子熱學(xué)規(guī)律、利用量子效應(yīng)設(shè)計的、用于執(zhí)行對系統(tǒng)被檢測進(jìn)行變換的數(shù)學(xué)裝置。
例如量子雷達(dá)技術(shù)，就運用了量子糾纏原理。按照化學(xué)學(xué)家的理論方案，這個過程包括將一系列糾纏光子對中的一半從一個物體上彈回去，之后將返回的光子與被抵擋的光子進(jìn)行比較。這樣做的目的是將最初發(fā)出的幅射與強(qiáng)噪音源區(qū)分開來，發(fā)覺隱型客機(jī)等普通雷達(dá)未能偵測到的物體，并將雷達(dá)操作員隱藏上去
與蓬勃發(fā)展的生物傳感一樣,量子傳感應(yīng)由形成訊號的敏感器件和處理訊號的輔助儀器兩部份組成,其中敏感器件是傳感的核心,它借助的是量子效應(yīng)。
二、量子傳感的特點
傳感的性能品質(zhì)主要從確切度、穩(wěn)定性和靈敏度等方面加以評價。結(jié)合量子傳感的自身特征,可以從以下幾個方面來考慮量子傳感的性能:
(1)非破壞性:
在量子控制中,因為檢測可能會導(dǎo)致被測系統(tǒng)波函數(shù)約化,同時,傳感也可能導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)變化,因而,在檢測中,要充分考慮量子傳感與系統(tǒng)的互相作用。由于量子控制中的狀態(tài)監(jiān)測與精典控制中的狀態(tài)監(jiān)測存在本質(zhì)上的不同,檢測可能導(dǎo)致的狀態(tài)波函數(shù)約化過程暗示了對狀態(tài)的檢測早已破壞了狀態(tài)本身,因而,非破壞性是量子傳感應(yīng)重點考慮的方面之一。在進(jìn)行實際測量時,可以考慮將量子傳感作為系統(tǒng)的一部份加以考慮,或則作為系統(tǒng)的擾動,將傳感與被測對象互相作用的伊寧頓考慮在整個系統(tǒng)狀態(tài)的演變之中;
(2)實時性:
按照量子控制中檢測的特性,非常是狀態(tài)演變的快速性,致使實時性成為量子傳感品質(zhì)評價的重要指標(biāo)。實時性要求量子傳感的檢測結(jié)果就能較好的與被測對象的當(dāng)前狀態(tài)相吻合,必要時才能對被測對象量子態(tài)演變進(jìn)行跟蹤,在設(shè)計量子傳感時,要考慮怎樣解決檢測滯后問題;
(3)靈敏性:
因為量子傳感的主要功能是實現(xiàn)對微觀對象被檢測的變換,要求對象微小的變化也才能被捕捉,因而,在設(shè)計量子傳感時,要考慮其靈敏度才能滿足實際要求;
(4)穩(wěn)定性:
在量子控制中,被控對象的狀態(tài)易受環(huán)境影響,量子傳感在偵測對象量子態(tài)時也可能導(dǎo)致對象或傳感本身狀態(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、低溫保持器等方式加以保護(hù);
(5)多功能性:
量子系統(tǒng)本身就是一個復(fù)雜系統(tǒng),各子系統(tǒng)之間或傳感與系統(tǒng)之間都易發(fā)生互相作用,實際應(yīng)用時總是期望降低人為影響和多步檢測帶來的滯后問題,因而,可以將較多的功能,如取樣、處理、測量等集成在同一量子傳感上,并將合適的智能控制算法融入其中,設(shè)計出智能型的、多功能量子傳感。
量子傳感具有許多精典傳感所不具有的性質(zhì),設(shè)計量子傳感時,在重點考慮將量子領(lǐng)域不可直接檢測量變換成可檢測量外,還應(yīng)從非破壞性、實時性、靈敏性、穩(wěn)定性、多功能性等方面對量子傳感的性能加以評估。
三、量子傳感的應(yīng)用
隨著量子控制研究的深入,對敏感器件的要求將越來越高,傳感自身的發(fā)展也有向微型化、量子型發(fā)展的趨勢,量子效應(yīng)將不可防止的在傳感中飾演重要角色,各類量子傳感將在量子控制、狀態(tài)監(jiān)測等方面得到廣泛應(yīng)用。
①、微小壓力檢測
新加坡國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)早已研發(fā)出一種壓力傳感，可以有效地對袋子里的顆粒進(jìn)行計數(shù)。該裝置通過檢測激光束穿過氫氣腔和真空腔時形成的拍頻來比較真空腔和氫氣腔的壓力。二氧化碳中激光頻度的微小變化，以保持共振串?dāng)_反映了壓力的微小變化(由于壓力改變折射率)。
該量子壓力傳感，加上氦折射率的第一原理估算，可以作為壓力標(biāo)準(zhǔn)，代替笨重的水銀壓力計。還可能應(yīng)用于校正半導(dǎo)體澆鑄廠的壓力傳感，或作為特別精確的客機(jī)高度計。
②、精準(zhǔn)重力檢測
光線檢測并不適用于所有的成像工作，作為新的取代補(bǔ)充手段，重力檢測可以挺好的反映出某一地方的細(xì)微變化，比如無法接近的老煤礦、坑洞和深地埋下的水喉管。用此方式，油礦鉆探和水位檢測也會顯得異常容易。
借助量子冷原子所開發(fā)的新型引力傳感和量子提高型MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)要比原先的設(shè)備有更高的性能，在商業(yè)上也會有更重要的應(yīng)用。
而低成本MEMS裝置也在設(shè)想之中，預(yù)計它將會只有足球大小，敏感程度要比在智能手機(jī)中使用的運動傳感初三百萬倍。一旦這項技術(shù)成熟，這么大面積的重力場圖象勾畫也就將成為可能。
MEMS傳感在量子成像讀出上起碼有幾個量級幅度上的進(jìn)步。來自愛丁堡學(xué)院和橋港學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種We-g監(jiān)測器，We-g是一種基于MEMS的重力儀，它比傳統(tǒng)的重力傳感輕得多，并且可能比傳統(tǒng)的重力傳感實惠得多。
We-g傳感借助量子光源來改善設(shè)備精度，即使是更小的物體也可以被測量到——或有助于雪崩與水災(zāi)旱災(zāi)中的搜救行動，以及幫助建筑行業(yè)確定地下的詳盡狀況，降低因為意外危險引起的工程延誤，并甩掉對高昂的鉆探挖掘的依賴。
另外，常規(guī)性月球遙感觀測也可以通過精確重力檢測來實現(xiàn)，檢測的范包括地下水儲量、冰川及冰層的變化。
③、量子傳感偵測無線電頻譜
日本海軍研究人員研發(fā)出了一款新型量子傳感，可以幫助士兵偵測整個無線電頻譜——從0到100吉赫茲（GHz）的通訊訊號。
新型量子傳感十分精巧，幾乎難以被其他設(shè)備偵測到，有望讓士兵們?nèi)缁⑻硪恚缈捎米魍ㄓ嵔邮掌鳌?span style="display:none">Ebg物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
雖然里德堡原子擁有低毒靈敏度，但科學(xué)家迄今未曾對整個運行波段的靈敏度進(jìn)行定量描述。
相比于傳統(tǒng)接收器，新量子傳感容積更小，但是其靈敏度可與其他電場傳感技術(shù)——如電光晶體和偶極天線耦合的無源電子設(shè)備等相匹敵。
目前，海軍科學(xué)家計劃進(jìn)一步磨煉最新技術(shù)，提升這款量子傳感的靈敏度，使其能偵測到更弱的訊號，并擴(kuò)充用于偵測更復(fù)雜波形的合同。
但是，有關(guān)量子傳感的想像力還不止于此：量子磁性傳感的發(fā)展將急劇增加磁腦成像的成本，有助于該項技術(shù)的推廣；而用于檢測重力的量子傳感將有望改變?nèi)藗儗鹘y(tǒng)地下勘察工作繁重歷時的印象；雖然在導(dǎo)航領(lǐng)域，常常導(dǎo)航衛(wèi)星搜索不到的地區(qū)，就是量子傳感所提供的慣性導(dǎo)航的用武之地。
④、醫(yī)療健康
癡呆病：按照阿爾茨海默病商會恐怕，全世界每年因癡呆病而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失約有5000億美元，這一數(shù)字還在不斷降低。而當(dāng)前基于病人問卷的確診方式一般會使醫(yī)治手段的選擇可能性被嚴(yán)重限制，只有做好初期的確診和干預(yù)才可以有更好的療效。
研究人員正在研究一種稱為腦磁圖描記術(shù)（MEG）的技術(shù)可用于初期確診。但問題是該技術(shù)目前須要磁屏蔽室和液氦冷卻操作，這促使技術(shù)推廣顯得異常高昂。而量子磁力儀則可以挺好地填補(bǔ)這方面的缺陷，它靈敏度更高、幾乎不須要冷卻和與屏蔽，更關(guān)鍵的是它的成本更低。
疾?。阂环N名為微波斷層成像的技術(shù)已應(yīng)用于甲狀腺癌的初期檢查多年，而量子傳感則有助于提升這些技術(shù)的靈敏度與顯示幀率。與傳統(tǒng)的X光不同，微波成像不會將腹部直接曝露于電離幅射之下。
據(jù)悉，基于金鋼石的量子傳感也促使在原子層級上研究活體細(xì)胞內(nèi)的濕度和磁場成為了可能，這為醫(yī)學(xué)研究提供了新的工具。
腎臟疾患：心率失常一般被看作是發(fā)達(dá)國家的第一致死殺手，而該疾病的病理特點就是時快時慢的不規(guī)則脈搏速率。目前正在開發(fā)中的磁感應(yīng)斷層攝影技術(shù)被視作可以確診纖維性顫動并研究其產(chǎn)生機(jī)制的工具，量子磁力儀的出現(xiàn)會大大提高這一技術(shù)的應(yīng)用療效，在成像臨床應(yīng)用、病患檢測和放療規(guī)劃等方面就會大有裨益。
⑤、交通運輸和導(dǎo)航
交通運輸越發(fā)展就越須要了解各類交通工具的確切位置信息及狀況，這也就對車輛、火車和客機(jī)所攜帶的傳感數(shù)目提出了要求，衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備、雷達(dá)傳感、超聲波傳感、光學(xué)傳感等都將逐步成為標(biāo)配。
但是有了那些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，傳感技術(shù)的發(fā)展也將面對新的挑戰(zhàn)。手動駕駛車輛和列車的定位及導(dǎo)航精度被嚴(yán)格要求在10分米以內(nèi);下一代駕駛輔助系統(tǒng)必須可以隨時檢測到當(dāng)?shù)胤置准壍奈ｋU路況。使用基于冷原子的量子傳感，導(dǎo)航系統(tǒng)不但可以將位置信息精確到分米，還必須具備在例如水下、地下和建筑群中等導(dǎo)航衛(wèi)星觸碰不到的地方工作的能力。
與此同時，其他類型的量子傳感也在不斷發(fā)展之中（比如工作在太赫茲波段的傳感），它們可以將公路評估的精度精確到毫米級。據(jù)悉，最初為原子鐘而開發(fā)的基于激光的微波源也可以提高機(jī)場雷達(dá)系統(tǒng)的工作范圍和工作精度。
四、量子傳感革命還有多遠(yuǎn)？
許多專家說，世界正處在第二次量子革命的邊沿。能量量子化通過晶體管和激光為人類帶來了現(xiàn)代電子技術(shù)，但隨著人類操縱單個原子和電子的能力迅速發(fā)展，可能會改變通信、能源、醫(yī)藥和國防等行業(yè)。這在俄羅斯和歐共體為了將尋求將量子技術(shù)商業(yè)化引起了大資金的特殊項目，同時在日本近來出臺了國家量子計劃(日本光學(xué)學(xué)會是其中創(chuàng)始合伙人)量子傳輸技術(shù)，但是中國和其他國家將耗費數(shù)十億港元在未來幾年進(jìn)行相關(guān)研究。
日本海軍研究實驗室傳感與電子設(shè)備局化學(xué)學(xué)家博士強(qiáng)調(diào)，下一代精確傳感器系統(tǒng)涉及量子傳感，量子傳感基于激光冷卻原子，極可能急劇提高系統(tǒng)性能。激光冷卻原子是大型相干二氧化碳原子，可以檢測重力場或磁場變化，除了特別精確，但是靈敏度很高。
許多從事量子傳感研究的科學(xué)家都組建了公司來將她們的技術(shù)商業(yè)化，但極少有真正的產(chǎn)品上市。
雖然在量子技術(shù)中，人們談?wù)撟疃嗟氖橇孔佑嬎銠C(jī)。理論上，量子計算機(jī)功能強(qiáng)悍，可以在短短幾分鐘內(nèi)破解互聯(lián)網(wǎng)安全的底層代碼。并且全規(guī)格量子計算機(jī)的問世可能還須要幾六年的時間。相比之下，借助量子現(xiàn)象加密而非破解密碼的設(shè)備正開始出現(xiàn)在市場上。
但是，許多科學(xué)家相信量子將在傳感器領(lǐng)域獲得第一次真正的商業(yè)成功。這是由于傳感器可以借助量子計算機(jī)的一個特點：量子態(tài)對環(huán)境異常敏感，而這正是制造量子計算機(jī)這么困難的誘因。無論它們是對被埋物體的引力作出反應(yīng)，還是接收人類腦部的磁場，量子傳感都能偵測到來自周圍世界的各類微弱訊號。美國芝加哥學(xué)院的化學(xué)學(xué)家說他覺得，非常是重力檢測量子傳感，“將很快得到更廣泛的應(yīng)用”，其潛在市場可能達(dá)到每年10億英鎊。
但是，不僅個別瞄準(zhǔn)機(jī)會的市場外，量子傳感的競爭力還有待觀察。它們一般比它們的精典對手容積更大、更復(fù)雜——正如倫敦SYRTE計量實驗室的os強(qiáng)調(diào)的那樣，多年來它們從巨額投資中獲益。他覺得，量子技術(shù)有時會被這些缺少制造傳感實際經(jīng)驗的人夸大。
但無論怎樣，量子理論的成立是20世紀(jì)最輝煌的成就之一，它闡明了微觀領(lǐng)域物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和運動規(guī)律，把人們的視角從宏觀領(lǐng)域引入到微觀系統(tǒng)。
但是，當(dāng)前，借助電子、光子、聲子等量子體系早已可以實現(xiàn)對電磁場、溫度、壓力、慣性等化學(xué)量的高精度量子傳感器，實驗演示了量子超區(qū)分顯微鏡、量子磁力計、量子陀螺等，并應(yīng)用在材料、生物等相關(guān)學(xué)科研究中。
所以，盡管量子傳感實現(xiàn)量產(chǎn)推向市場會是道阻且長，但相信未來隨著相關(guān)技術(shù)的逐步成熟，量子傳感器將在國計民生方面得到廣泛應(yīng)用。