高靈敏度的量子傳感器

量子理論的創(chuàng)立是 20 世紀最輝煌的成就之一 ，它揭示了微觀領(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) 。一系列區(qū)別于經(jīng)典系統(tǒng)的現(xiàn)象 ，如量子糾纏 、量子相干 、不確定性等被發(fā)現(xiàn) 。同時 ,量子理論和量子方法還被應(yīng)用到化學反應(yīng) 、基因工程 、原子物理 、量子信息等領(lǐng)域 。

近年來量子信息學的發(fā)展，使得對微觀對象量子態(tài)的操縱和控制變得越來越重要 。用量子控制的理論和方法來解決量子態(tài)的控制問題從而產(chǎn)生了量子控制論 。

量子控制論是以研究微觀世界系統(tǒng)量子態(tài)的控制問題的學科，量子傳感器即可用于解決量子控制中的檢測問題 。

量子傳感器的概念與現(xiàn)狀

在經(jīng)典控制中 ,測量過程由各種測量儀表完成 ,其中的變換過程一般由相應(yīng)的測量傳感器完成 。測量儀表可以由若干個傳感器以合適的方式聯(lián)接而成 ,共同完成變換 、選擇 、比較和顯示功能 。與經(jīng)典控制中一樣 ,量子控制中測量的關(guān)鍵也是被測量和標準量的比較 。而量子控制中的可觀測量與量子力學中的相應(yīng)自共軛算符對應(yīng) ,量子系統(tǒng)狀態(tài)的直接測量一般不易實現(xiàn) ,需要把被測量按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌跍y量的物理量 ,進而實現(xiàn)量子態(tài)的間接測量 。這一過程可以通過量子傳感器完成 。

所謂量子傳感器，可以從兩方面加以定義：

(1) 利用量子效應(yīng) 、根據(jù)相應(yīng)量子算法設(shè)計的 、用于執(zhí)行變換功能的物理裝置 ; 

(2) 為了滿足對被測量進行變換 ,某些部分細微到必須考慮其量子效應(yīng)的變換元件 。

不管從哪個方面定義 ,量子傳感器都必須遵循量子力學規(guī)律 。可以說 ,量子傳感器就是根據(jù)量子力學規(guī)律 、利用量子效應(yīng)設(shè)計的 、用于執(zhí)行對系統(tǒng)被測量進行變換的物理裝置 。

與蓬勃發(fā)展的生物傳感器一樣,量子傳感器應(yīng)由產(chǎn)生信號的敏感元件和處理信號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) 。

隨著量子控制研究的深入 ,對敏感元件的要求將越來越高 ,傳感器自身的發(fā)展也有向微型化 、量子型發(fā)展的趨勢,量子效應(yīng)將不可避免的在傳感器中扮演重要角色 ,各種量子傳感器將在量子控制 、狀態(tài)檢測等方面得到廣泛應(yīng)用 。
 

量子傳感器的性能分析

傳感器的性能品質(zhì)主要從準確度 、穩(wěn)定性和靈敏度等方面加以評價 。結(jié)合量子傳感器的自身特點 ,可以從以下幾個方面來考慮量子傳感器的性能 :

(1) 非破壞性 :

在量子控制中 ,由于測量可能會引起被測系統(tǒng)波函數(shù)約化 ,同時 ,傳感器也可能引起系統(tǒng)狀態(tài)變化 ,因此 ,在測量中 ,要充分考慮量子傳感器與系統(tǒng)的相互作用 。因為量子控制中的狀態(tài)檢測與經(jīng)典控制中的狀態(tài)檢測存在本質(zhì)上的不同 ,測量可能引起的狀態(tài)波函數(shù)約化過程暗示了對狀態(tài)的測量已經(jīng)破壞了狀態(tài)本身 ,因此 ,非破壞性是量子傳感器應(yīng)重點考慮的方面之一 。在進行實際檢測時 ,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 ,將傳感器與被測對象相互作用的哈密頓考慮在整個系統(tǒng)狀態(tài)的演化之中 ;

(2) 實時性 :

根據(jù)量子控制中測量的特點 ,特別是狀態(tài)演化的快速性 ,使得實時性成為量子傳感器品質(zhì)評價的重要指標 。實時性要求量子傳感器的測量結(jié)果能夠較好的與被測對象的當前狀態(tài)相吻合 ,必要時能夠?qū)Ρ粶y對象量子態(tài)演化進行跟蹤 ,在設(shè)計量子傳感器時 ,要考慮如何解決測量滯后問題 ;

(3) 靈敏性 :

由于量子傳感器的主要功能是實現(xiàn)對微觀對象被測量的變換 ,要求對象微小的變化也能夠被捕捉 ,因此 ,在設(shè)計量子傳感器時 ,要考慮其靈敏度能夠滿足實際要求 ;

(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 ,量子傳感器在探測對象量子態(tài)時也可能引起對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 ;

(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)之間或傳感器與系統(tǒng)之間都易發(fā)生相互作用 ,實際應(yīng)用時總是期望減少人為影響和多步測量帶來的滯后問題 ,因此 ,可以將較多的功能 ,如采樣 、處理 、測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)計量子傳感器時 ,在重點考慮將量子領(lǐng)域不可直接測量量變換成可測量量外 ,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器的性能加以評估 。

量子傳感器的市場應(yīng)用

以英國為例，在傳感器及相關(guān)設(shè)備領(lǐng)域的從業(yè)者已經(jīng)超過73000人，對經(jīng)濟的年均貢獻也，所以整合全產(chǎn)業(yè)鏈的重要性也就不言自明了。超過140億英鎊。單單是一個傳感器數(shù)據(jù)服務(wù)所衍生出來的價值就已經(jīng)是天文數(shù)字了

然而，有關(guān)量子傳感器的想象力還不止于此：量子磁性傳感器的發(fā)展將大幅降低磁腦成像的成本，有助于該項技術(shù)的推廣；而用于測量重力的量子傳感器將有望改變?nèi)藗儗鹘y(tǒng)地下勘測工作繁雜耗時的印象；即便在導(dǎo)航領(lǐng)域，往往導(dǎo)航衛(wèi)星搜索不到的地區(qū)，就是量子傳感器所提供的慣性導(dǎo)航的用武之地。

1、土木工程

地下勘測通常是極其昂貴和耗時的，但在建造新的基礎(chǔ)設(shè)施時又是必要的，尤其是像高速鐵路、核電站這種大型項目在開建之前。實際上有很多地質(zhì)構(gòu)造未探明的地下環(huán)境都存在諸如下水道、礦井和沉坑之類的危險。

信息不足的代價往往是十分高昂的，工程延遲、超支和重新規(guī)劃都是家常便飯。英國進行基礎(chǔ)設(shè)施維護的方法就是每年花費50億英鎊在道路上挖400萬個洞，之所以這么做竟然是因為人們不清楚地下設(shè)施的具體位置。

而在人們的普遍印象中，任何檢查都應(yīng)該是在地面上進行的，而不需要挖掘坑洞?？涩F(xiàn)有的雷達、電子檢測儀和磁力儀的性能并不能達到理想效果，超過地下幾米的物體就很難被探測到了。

遇到這種情況，通常的解決方案就是使用重力感測技術(shù)，因為地下埋藏的任何物體的重力發(fā)生細微的變化都可以被記錄下來并繪制成重力圖。但傳統(tǒng)重力儀的問題是讀數(shù)不準確、耗時長且易于受到地面振動的影響。

但如果用量子傳感器來進行重力測量就會有明顯的優(yōu)勢：速度更快、讀數(shù)更精確、探測的更深且不受地面振動的影響。這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用勢必會對土木工程行業(yè)起到極大的推動作用。

2、自然危害預(yù)防

在英國有超過500萬的家庭所處的位置都面臨坍塌和沉降的風險; 英國鐵路部門也需要對鐵軌周邊的積水情況進行實時監(jiān)控，以防止山體滑坡災(zāi)害的出現(xiàn)。而量子傳感器就可以很好地在重力圖上標記處哪里會有坍塌的風險、哪里的積水過多。

此外，量子光子傳感器還可以快捷地識別地表下諸如油料泄漏之類的危害。這一切都基于量子傳感器快速掃描的特點，而這也使得常態(tài)化的檢查成為了可能。

3、資源勘探

獲取石油和天然氣等自然資源的重點在于開采地點的確定，這在美國是一個價值30億美元的龐大市場。目前主流的勘探形式為地震探測，效果更佳，但更昂貴的重力測量方式只有在人們了解較少的地方才被采用。

但實際上，重力測量高昂成本的很大部分都來自于調(diào)整設(shè)備，而如今量子增強型MEMS傳感器的出現(xiàn)就減少了設(shè)備調(diào)整的操作，使整個測量工作可以更快推進，連成本也降到了之前的十分之一。

4、交通運輸和導(dǎo)航

交通運輸越發(fā)展就越需要了解各種交通工具的準確位置信息及狀況，這也就對汽車、火車和飛機所攜帶的傳感器數(shù)量提出了要求，衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備、雷達傳感器、超聲波傳感器、光學傳感器等都將逐漸成為標配。

然而有了這些還遠遠不夠，傳感器技術(shù)的發(fā)展也將面對新的挑戰(zhàn)。自動駕駛汽車和火車的定位及導(dǎo)航精度被嚴格要求在10厘米以內(nèi); 下一代駕駛輔助系統(tǒng)必須可以隨時監(jiān)測到當?shù)乩迕准壍奈ｋU路況。使用基于冷原子的量子傳感器，導(dǎo)航系統(tǒng)不但可以將位置信息精確到厘米，還必須具備在諸如水下、地下和建筑群中等導(dǎo)航衛(wèi)星觸及不到的地方工作的能力。

與此同時，其他類型的量子傳感器也在不斷發(fā)展之中（例如工作在太赫茲波段的傳感器），它們可以將道路評估的精度精確到毫米級。此外，最初為原子鐘而開發(fā)的基于激光的微波源也可以提升機場雷達系統(tǒng)的工作范圍和工作精度。

5、重力測量

光線測量并不適用于所有的成像工作，作為新的替代補充手段，重力測量可以很好的反映出某一地方的細微變化，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)測也會變得異常容易。

利用量子冷原子所開發(fā)的新型引力傳感器和量子增強型MEMS（微電子機械系統(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)計它將會只有網(wǎng)球大小，敏感程度要比在智能手機中使用的運動傳感器高一百萬倍。一旦這項技術(shù)成熟，那么大面積的重力場圖像繪制也就將成為可能。

MEMS傳感器在量子成像讀出上至少有幾個量級幅度上的進步。來自格拉斯哥大學和橋港大學的研究人員開發(fā)了一種Wee-g檢測器，可以利用量子光源來改善設(shè)備精度，即便是更小的物體也可以被檢測到——或有助于雪崩與地震災(zāi)害中的救援行動。

冷原子傳感器將具有最高的精度，性價比水平也是無出其右，目前尚未有更尖端的技術(shù)可以超過它。目前伯明翰大學正在研發(fā)RSK和e2v冷原子傳感器，將用于日常重力測量。例如幫助建筑行業(yè)確定地下的詳細狀況，減少由于意外危險造成的工程延誤，并擺脫對昂貴的勘探挖掘的依賴。

在太空中，冷原子傳感器則可以通過檢測引力波及驗證愛因斯坦的理論來實現(xiàn)新的科學突破。當然了，常規(guī)性地球遙感觀測也可以通過精確重力測量來實現(xiàn)，監(jiān)測的范包括地下水儲量、冰川及冰蓋的變化。

在格拉斯哥大學，研究人員的也在創(chuàng)造一種新的變革性的太空技術(shù)，即使用MEMS傳感器對航天器的高度進行精細控制，這將有助于增強英國小衛(wèi)星技術(shù)在全世界范圍內(nèi)的競爭力。

6、醫(yī)療健康

癡呆病：根據(jù)阿爾茨海默病協(xié)會估計，全世界每年因癡呆病而造成的經(jīng)濟損失約有5000億英鎊，這一數(shù)字還在不斷增加。而當前基于患者問卷的診斷形式通常會使治療手段的選擇可能性被嚴重限制，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為腦磁圖描記術(shù)（MEG）的技術(shù)可用于早期診斷。但問題是該技術(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。

癌癥：一種名為微波斷層成像的技術(shù)已應(yīng)用于乳腺癌的早期檢測多年，而量子傳感器則有助于提高這種技術(shù)的靈敏度與顯示分辨率。與傳統(tǒng)的X光不同，微波成像不會將乳房直接暴露于電離輻射之下。

此外，基于金剛石的量子傳感器也使得在原子層級上研究活體細胞內(nèi)的溫度和磁場成為了可能，這為醫(yī)學研究提供了新的工具。

心臟疾?。?/span>心律失常通常被看作是發(fā)達國家的第一致死殺手，而該病癥的病理特征就是時快時慢的不規(guī)則心跳速度。目前正在開發(fā)中的磁感應(yīng)斷層攝影技術(shù)被視作可以診斷纖維性顫動并研究其形成機制的工具，量子磁力儀的出現(xiàn)會大大提升這一技術(shù)的應(yīng)用效果，在成像臨床應(yīng)用、病患監(jiān)測和手術(shù)規(guī)劃等方面都會大有益處。

量子傳感器有著廣闊的應(yīng)用前景 ,目前的量子傳感器主要是高靈敏度的磁傳感器 ,在深入研究已有量子傳感器的基礎(chǔ)上 ,應(yīng)該考慮結(jié)合激光的優(yōu)越性 ,利用光電轉(zhuǎn)換原理 ,設(shè)計出以激光相干效應(yīng)為基礎(chǔ)的量子傳感器 。