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
來源：工程師
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在醫(yī)學(xué)、技術(shù)和工程領(lǐng)域推動(dòng)原子級(jí)的傳感革命。
我曾設(shè)想過有一種傳感器可以檢測(cè)思維磁場(chǎng)，不需要GPS就能夠以GPS的精度跟蹤運(yùn)動(dòng)，不需要復(fù)雜的PCR分析試樣就能夠在幾秒鐘內(nèi)檢測(cè)出極少量的病毒或其他病原體。正如量子計(jì)算機(jī)可以在理論上解出經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題，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(yīng)用類型，而且可以帶來新機(jī)會(huì)，推動(dòng)科技等諸多領(lǐng)域的進(jìn)步。量子技術(shù)依賴的是量子效應(yīng)，因?yàn)橛钪嬖谧钚用鏁?huì)變得很不確定。例如，“疊加”量子效應(yīng)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(yīng)可以連接粒子，產(chǎn)生實(shí)時(shí)的相互影響，無論這些粒子之間的距離有多遠(yuǎn)。不過，令人詬病的是這些量子效應(yīng)非常容易受到外界干擾。量子計(jì)算機(jī)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)來實(shí)現(xiàn)超凡的靈敏度，感應(yīng)到環(huán)境中最輕微的擾動(dòng)。如今開發(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)，傳感器可以通過分析磁場(chǎng)來對(duì)腦部活動(dòng)進(jìn)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(jìn)行腦磁圖（MEG）掃描。
目前的腦磁圖掃描采用的是超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）。這需要使用昂貴的液氦實(shí)現(xiàn)零下269℃的冷卻效果，因此掃描儀非常龐大。相比之下，英國(guó)諾丁漢的創(chuàng)業(yè)公司Cerca Magnetics的設(shè)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(shè)備包含一個(gè)激光器，該激光器發(fā)出的光束穿過一團(tuán)銣原子射向光探測(cè)器。光束可以讓銣原子的磁場(chǎng)排列整齊，使原子團(tuán)基本上是透明的。很小的磁場(chǎng)（例如來自腦部活動(dòng)的磁場(chǎng)）會(huì)干擾這些原子，光探測(cè)器可以檢測(cè)到其能夠吸收光線，然后激光器會(huì)重置原子團(tuán)，使其繼續(xù)對(duì)磁干擾做出響應(yīng)。
這些量子傳感器可以在室溫下運(yùn)行，因此其尺寸要比笨重的超導(dǎo)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，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(hào)強(qiáng)度提高至少2倍（理論上可達(dá)5倍），且磁成像精度達(dá)到毫米級(jí)，腦部表面的分辨率達(dá)到毫秒級(jí)。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(xiàn)在這樣要長(zhǎng)時(shí)間保持靜止。此外，這種傳感器還可以適應(yīng)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(shù)的成本僅為SQUID系統(tǒng)成本的一半。Cerca掃描儀可以幫助檢測(cè)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(yán)重和衰竭的疾病?！彼f。布魯克斯說，未來的研究目標(biāo)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(xiàn)實(shí)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，推動(dòng)研究人員在實(shí)驗(yàn)和分析中應(yīng)用掃描儀。新冠病毒檢測(cè)：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(zhǔn)確地檢測(cè)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(duì)磁場(chǎng)非常敏感，從而可利用這種“氮空位中心”充當(dāng)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(jié)合后會(huì)從鉆石上分離。這種鉆石被綠光照亮?xí)r，會(huì)顯現(xiàn)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(qiáng)光暈。目前新冠病毒的黃金標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)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(cè)。此外，這種方法無法高精度測(cè)定病毒的含量，而且假陰性概率超過25%。對(duì)比之下，計(jì)算機(jī)仿真表明，新的測(cè)試方法在理論上產(chǎn)出結(jié)果只需幾秒鐘，而且靈敏度很高，可以檢測(cè)出幾百個(gè)病毒RNA，假陰性概率低于1%。
測(cè)試中使用的納米鉆石和其他材料的價(jià)格低廉，而且通過調(diào)整磁性涂料匹配目標(biāo)病毒的方法幾乎可以應(yīng)用到所有病毒的檢測(cè)種，包括可能出現(xiàn)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(tuán)隊(duì)正在對(duì)傳感器進(jìn)行合成和測(cè)試，了解其實(shí)際性能?！拔覀兿Ｍ芸炀湍艿玫讲诲e(cuò)的結(jié)果?！毖芯繂T、麻省理工學(xué)院的量子工程師李長(zhǎng)昊（Changhao Li，音）說。
量子加速計(jì)：目前全球在很大程度上都依賴于GPS等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，但用于定位、導(dǎo)航和計(jì)時(shí)的衛(wèi)星鏈路無法在地下或水下應(yīng)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(guó)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法使用GPS時(shí)幫助船舶導(dǎo)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(diǎn)類似，使用激光脈沖驅(qū)使過冷原子團(tuán)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(qiáng)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(zhuǎn)。該設(shè)備可以分析這些結(jié)果，計(jì)算出其位置隨時(shí)間發(fā)生的變化。這種量子加速計(jì)可以作為不依賴任何外部信號(hào)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)。如果沒有外部參考信號(hào)，溫度波動(dòng)和其他因素可導(dǎo)致常規(guī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置估計(jì)值在數(shù)小時(shí)內(nèi)發(fā)生漂移。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院冷物質(zhì)中心的研究員約瑟夫?科特（Joseph Cotter）說，M Squared公司的設(shè)備經(jīng)歷幾天的漂移都可忽略不計(jì)。“早期采用這種新興量子技術(shù)的可能是那些對(duì)水下或水面交通工具的遠(yuǎn)程導(dǎo)航感興趣的人?！笨铺卣f，“不過，隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)設(shè)備變得越來越小巧和廉價(jià)，將其部署在船舶、列車和飛機(jī)上，整個(gè)運(yùn)輸行業(yè)都會(huì)廣泛受益?！?/span>研究人員計(jì)劃在今年夏季對(duì)其最新設(shè)備進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。科特指出，目前量子加速計(jì)的“體積相當(dāng)于兩臺(tái)洗衣機(jī)。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)家開發(fā)出了首款可編程量子傳感器，這種設(shè)備具有空前級(jí)別的靈敏度，接近量子力學(xué)的基本極限。
在這項(xiàng)研究中，他們通過一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程，使其自身達(dá)到最佳設(shè)置，測(cè)量其組件的狀態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)，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(shù)，達(dá)到約1.45。（傳感器的傳感極限系數(shù)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(yīng)用在原子鐘和全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)等設(shè)備中。總而言之，美國(guó)伊利諾斯州阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家大衛(wèi)?奧沙洛姆（David Awschalom）說：“量子傳感器展現(xiàn)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題?！?/span>本文擴(kuò)展版的在線標(biāo)題為《量子傳感——促進(jìn)新型傳感器的原子級(jí)發(fā)展》（A Quantum of Sensing— Atomic Scale Bolsters New Sensor Boom）。作者：Charles Q. Choi*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀點(diǎn)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系工作人員刪除。
