量子傳感器發(fā)展指南
發(fā)布人：傳感器技術(shù)
時(shí)間：2022-08-08
來(lái)源：工程師
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在醫學(xué)、技術(shù)和工程領(lǐng)域推動(dòng)原子級的傳感革命。
我曾設想過(guò)有一種傳感器可以檢測思維磁場(chǎng)，不需要GPS就能夠以GPS的精度跟蹤運動(dòng)，不需要復雜的PCR分析試樣就能夠在幾秒鐘內檢測出極少量的病毒或其他病原體。正如量子計算機可以在理論上解出經(jīng)典計算機無(wú)法解決的問(wèn)題，新一代量子傳感器也將推動(dòng)靈敏度更上一層樓，能夠催生新的應用類(lèi)型，而且可以帶來(lái)新機會(huì )，推動(dòng)科技等諸多領(lǐng)域的進(jìn)步。量子技術(shù)依賴(lài)的是量子效應，因為宇宙在最小層面會(huì )變得很不確定。例如，“疊加”量子效應允許原子和宇宙的其他元素在同一時(shí)間存在于兩個(gè)或多個(gè)地點(diǎn)，而另一種“糾纏”量子效應可以連接粒子，產(chǎn)生實(shí)時(shí)的相互影響，無(wú)論這些粒子之間的距離有多遠。不過(guò)，令人詬病的是這些量子效應非常容易受到外界干擾。量子計算機一直在努力克服這個(gè)弱點(diǎn)，而量子傳感器卻可以利用這一弱點(diǎn)來(lái)實(shí)現超凡的靈敏度，感應到環(huán)境中最輕微的擾動(dòng)。如今開(kāi)發(fā)和部署的諸多量子傳感器有很多，下文介紹其中的幾種。腦部掃描：大腦中的電流會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，傳感器可以通過(guò)分析磁場(chǎng)來(lái)對腦部活動(dòng)進(jìn)行非侵入性?huà)呙?。如今，量子傳感器可使可穿戴頭盔以前所未有的性能和成本，進(jìn)行腦磁圖（MEG）掃描。
目前的腦磁圖掃描采用的是超導量子干涉器件（SQUID）。這需要使用昂貴的液氦實(shí)現零下269℃的冷卻效果，因此掃描儀非常龐大。相比之下，英國諾丁漢的創(chuàng )業(yè)公司Cerca Magnetics的設備尺寸只有一塊樂(lè )高積木大小。這種被稱(chēng)為光泵磁力儀（OPM）的設備包含一個(gè)激光器，該激光器發(fā)出的光束穿過(guò)一團銣原子射向光探測器。光束可以讓銣原子的磁場(chǎng)排列整齊，使原子團基本上是透明的。很小的磁場(chǎng)（例如來(lái)自腦部活動(dòng)的磁場(chǎng)）會(huì )干擾這些原子，光探測器可以檢測到其能夠吸收光線(xiàn)，然后激光器會(huì )重置原子團，使其繼續對磁干擾做出響應。
這些量子傳感器可以在室溫下運行，因此其尺寸要比笨重的超導量子干涉器件小得多。Cerca公司總裁、諾丁漢大學(xué)物理學(xué)教授馬修?布魯克斯（Matthew Brookes）說(shuō)，這意味著(zhù)，我們可以將這些傳感器放置在更靠近人腦的地方，從而將信號強度提高至少2倍（理論上可達5倍），且磁成像精度達到毫米級，腦部表面的分辨率達到毫秒級。這種傳感器小巧輕量，可以安裝到可穿戴頭盔中。被掃描者在掃描期間可自由移動(dòng)，而不像現在這樣要長(cháng)時(shí)間保持靜止。此外，這種傳感器還可以適應不同的頭部形狀和大小，因此不僅能夠掃描成人腦部，還可以?huà)呙鑳和蛬雰旱哪X部。布魯克斯說(shuō)，OPM技術(shù)的成本僅為SQUID系統成本的一半。Cerca掃描儀可以幫助檢測癲癇、腦震蕩、癡呆癥和神經(jīng)分裂癥等神經(jīng)障礙，“有助于揭示許多嚴重和衰竭的疾病?！彼f(shuō)。布魯克斯說(shuō)，未來(lái)的研究目標是讓這些傳感器接近其理論靈敏度極限、允許更自由的移動(dòng)，并增加虛擬現實(shí)和機器學(xué)習技術(shù)，推動(dòng)研究人員在實(shí)驗和分析中應用掃描儀。新冠病毒檢測：另一種前景廣闊的量子傳感器可以更快速、更廉價(jià)和更準確地檢測引發(fā)全球疫情的新冠病毒。這種傳感器依靠的是有缺陷的微小人造鉆石，其中的一個(gè)碳原子被一個(gè)氮原子替代，相鄰的碳原子缺失。晶體中的這些缺陷就像一個(gè)微小的磁體，其排列對磁場(chǎng)非常敏感，從而可利用這種“氮空位中心”充當傳感器。
這種新型技術(shù)由麻省理工學(xué)院和加拿大滑鐵盧大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)，將磁性化合物涂在約25納米寬的氮空位中心鉆石上，磁性化合物在與新冠病毒特定的RNA序列結合后會(huì )從鉆石上分離。這種鉆石被綠光照亮時(shí)，會(huì )顯現出紅色光暈。磁性涂料會(huì )使光暈變淡；將傳感器暴露在病毒中可增強光暈。目前新冠病毒的黃金標準檢測方法需要幾個(gè)小時(shí)才能生成足夠的病毒基因材料副本進(jìn)行檢測。此外，這種方法無(wú)法高精度測定病毒的含量，而且假陰性概率超過(guò)25%。對比之下，計算機仿真表明，新的測試方法在理論上產(chǎn)出結果只需幾秒鐘，而且靈敏度很高，可以檢測出幾百個(gè)病毒RNA，假陰性概率低于1%。
測試中使用的納米鉆石和其他材料的價(jià)格低廉，而且通過(guò)調整磁性涂料匹配目標病毒的方法幾乎可以應用到所有病毒的檢測種，包括可能出現的新型病毒。目前，麻省理工學(xué)院和滑鐵盧大學(xué)的這個(gè)團隊正在對傳感器進(jìn)行合成和測試，了解其實(shí)際性能?！拔覀兿Ｍ芸炀湍艿玫讲诲e的結果?！毖芯繂T、麻省理工學(xué)院的量子工程師李長(cháng)昊（Changhao Li，音）說(shuō)。
量子加速計：目前全球在很大程度上都依賴(lài)于GPS等全球導航衛星系統，但用于定位、導航和計時(shí)的衛星鏈路無(wú)法在地下或水下應用，而且很容易受到人為干擾、電子欺騙和天氣的影響。如今，倫敦帝國理工學(xué)院和格拉斯哥M Squared公司打造的量子傳感器可在無(wú)法使用GPS時(shí)幫助船舶導航。
這種量子傳感器是一種被稱(chēng)為原子干涉儀的器件。它與腦部掃描傳感器有點(diǎn)類(lèi)似，使用激光脈沖驅使過(guò)冷原子團進(jìn)入微妙的量子疊加狀態(tài)。在這種狀況下，每個(gè)原子的軌跡都會(huì )在量子物理學(xué)上相互干擾，其波峰和波谷會(huì )彼此增強或抑制。分析原子波包相位的變化可以揭示原子經(jīng)歷的加速或旋轉。該設備可以分析這些結果，計算出其位置隨時(shí)間發(fā)生的變化。這種量子加速計可以作為不依賴(lài)任何外部信號的慣性導航系統的基礎。如果沒(méi)有外部參考信號，溫度波動(dòng)和其他因素可導致常規慣性導航系統的位置估計值在數小時(shí)內發(fā)生漂移。倫敦帝國理工學(xué)院冷物質(zhì)中心的研究員約瑟夫?科特（Joseph Cotter）說(shuō)，M Squared公司的設備經(jīng)歷幾天的漂移都可忽略不計。“早期采用這種新興量子技術(shù)的可能是那些對水下或水面交通工具的遠程導航感興趣的人?！笨铺卣f(shuō)，“不過(guò)，隨著(zhù)這項技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)設備變得越來(lái)越小巧和廉價(jià)，將其部署在船舶、列車(chē)和飛機上，整個(gè)運輸行業(yè)都會(huì )廣泛受益?！?/span>研究人員計劃在今年夏季對其最新設備進(jìn)行實(shí)地測試?？铺刂赋?，目前量子加速計的“體積相當于兩臺洗衣機。我們正在努力讓它變得更緊湊”。難以估量的極限：最近，澳大利亞的科學(xué)家開(kāi)發(fā)出了首款可編程量子傳感器，這種設備具有空前級別的靈敏度，接近量子力學(xué)的基本極限。
在這項研究中，他們通過(guò)一臺量子計算機進(jìn)行編程，使其自身達到最佳設置，測量其組件的狀態(tài)。他們發(fā)現，這種可編程量子傳感器可自我優(yōu)化，從而接近基本傳感極限系數，達到約1.45。（傳感器的傳感極限系數越接近1，性能越好。）他們表示，可編程量子傳感器可以像磁性傳感器和慣性傳感器一樣，應用在原子鐘和全球定位導航系統等設備中。總而言之，美國伊利諾斯州阿貢國家實(shí)驗室的物理學(xué)家大衛?奧沙洛姆（David Awschalom）說(shuō)：“量子傳感器展現出極高精度，能夠用于解決從單一蛋白質(zhì)到天文和宇宙的各種問(wèn)題?！?/span>本文擴展版的在線(xiàn)標題為《量子傳感——促進(jìn)新型傳感器的原子級發(fā)展》（A Quantum of Sensing— Atomic Scale Bolsters New Sensor Boom）。作者：Charles Q. Choi*博客內容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀(guān)點(diǎn)，如有侵權請聯(lián)系工作人員刪除。
