量子傳感器發展指南
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在醫學、技術和工程領域推動原子級的傳感革命。
我曾設想過有一種傳感器可以檢測思維磁場，不需要GPS就能夠以GPS的精度跟蹤運動，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典計算機無法解決的問題，新一代量子傳感器也將推動靈敏度更上一層樓，能夠催生新的應用類型，而且可以帶來新機會，推動科技等諸多領域的進步。量子技術依賴的是量子效應，因為宇宙在最小層面會變得很不確定。例如，“疊加”量子效應允許原子和宇宙的其他元素在同一時間存在于兩個或多個地點，而另一種“糾纏”量子效應可以連接粒子，產生實時的相互影響，無論這些粒子之間的距離有多遠。不過，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弱點，而量子傳感器卻可以利用這一弱點來實現超凡的靈敏度，感應到環境中最輕微的擾動。如今開發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：大腦中的電流會產生磁場，傳感器可以通過分析磁場來對腦部活動進行非侵入性掃描。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，英國諾丁漢的創業公司Cerca Magnetics的設備尺寸只有一塊樂高積木大小。這種被稱為光泵磁力儀（OPM）的設備包含一個激光器，該激光器發出的光束穿過一團銣原子射向光探測器。光束可以讓銣原子的磁場排列整齊，使原子團基本上是透明的。很小的磁場（例如來自腦部活動的磁場）會干擾這些原子，光探測器可以檢測到其能夠吸收光線，然后激光器會重置原子團，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、諾丁漢大學物理學教授馬修?布魯克斯（Matthew Brookes）說，這意味著，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，而不像現在這樣要長時間保持靜止。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，還可以掃描兒童和嬰兒的腦部。布魯克斯說，OPM技術的成本僅為SQUID系統成本的一半。Cerca掃描儀可以幫助檢測癲癇、腦震蕩、癡呆癥和神經分裂癥等神經障礙，“有助于揭示許多嚴重和衰竭的疾病。”他說。布魯克斯說，未來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，并增加虛擬現實和機器學習技術，推動研究人員在實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、更廉價和更準確地檢測引發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，其中的一個碳原子被一個氮原子替代，相鄰的碳原子缺失。晶體中的這些缺陷就像一個微小的磁體，其排列對磁場非常敏感，從而可利用這種“氮空位中心”充當傳感器。
這種新型技術由麻省理工學院和加拿大滑鐵盧大學的研究人員開發，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序列結合后會從鉆石上分離。這種鉆石被綠光照亮時，會顯現出紅色光暈。磁性涂料會使光暈變淡；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小時才能生成足夠的病毒基因材料副本進行檢測。此外，這種方法無法高精度測定病毒的含量，而且假陰性概率超過25%。對比之下，計算機仿真表明，新的測試方法在理論上產出結果只需幾秒鐘，而且靈敏度很高，可以檢測出幾百個病毒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格低廉，而且通過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，麻省理工學院和滑鐵盧大學的這個團隊正在對傳感器進行合成和測試，了解其實際性能。“我們希望很快就能得到不錯的結果。”研究員、麻省理工學院的量子工程師李長昊（Changhao Li，音）說。
量子加速計：目前全球在很大程度上都依賴于GPS等全球導航衛星系統，但用于定位、導航和計時的衛星鏈路無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，倫敦帝國理工學院和格拉斯哥M Squared公司打造的量子傳感器可在無法使用GPS時幫助船舶導航。
這種量子傳感器是一種被稱為原子干涉儀的器件。它與腦部掃描傳感器有點類似，使用激光脈沖驅使過冷原子團進入微妙的量子疊加狀態。在這種狀況下，每個原子的軌跡都會在量子物理學上相互干擾，其波峰和波谷會彼此增強或抑制。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，計算出其位置隨時間發生的變化。這種量子加速計可以作為不依賴任何外部信號的慣性導航系統的基礎。如果沒有外部參考信號，溫度波動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內發生漂移。倫敦帝國理工學院冷物質中心的研究員約瑟夫?科特（Joseph Cotter）說，M Squared公司的設備經歷幾天的漂移都可忽略不計。“早期采用這種新興量子技術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。”科特說，“不過，隨著這項技術的發展，相關設備變得越來越小巧和廉價，將其部署在船舶、列車和飛機上，整個運輸行業都會廣泛受益。”研究人員計劃在今年夏季對其最新設備進行實地測試。科特指出，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，澳大利亞的科學家開發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，接近量子力學的基本極限。
在這項研究中，他們通過一臺量子計算機進行編程，使其自身達到最佳設置，測量其組件的狀態。他們發現，這種可編程量子傳感器可自我優化，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驗室的物理學家大衛?奧沙洛姆（David Awschalom）說：“量子傳感器展現出極高精度，能夠用于解決從單一蛋白質到天文和宇宙的各種問題。”本文擴展版的在線標題為《量子傳感——促進新型傳感器的原子級發展》（A Quantum of Sensing— Atomic Scale Bolsters New Sensor Boom）。作者：Charles Q. Choi*博客內容為網友個人發布，僅代表博主個人觀點，如有侵權請聯系工作人員刪除。
