科学家量子感知装置将带来革命性的发展

发布时间：2023-06-23 10:01:52 所属栏目：动态来源：网络

导读： 　　量子检测机使用原子与光的基本特性来测量视界。量子态的粒子对环境有着极高的响应能力,这一点是量子计算机研制中的一个优势。使用粒子作为探针的量子传感器可以比设计或基于化学或电信

　　量子检测机使用原子与光的基本特性来测量视界。量子态的粒子对环境有着极高的响应能力,这一点是量子计算机研制中的一个优势。使用粒子作为探针的量子传感器可以比设计或基于化学或电信号的经典设备更精确地量化加速度、磁场、旋转、重力和时间的流逝。它们可用于制造更小、更准确的原子钟、可以穿透雾气和拐角处的相机，以及用于绘制地下结构图的设备，以及许多其他潜在应用。它们将改变众多部门，从能源、土地使用和运输到医疗保健、金融和安全。

　　随着研究人员在实验室开发量子传感器，我们热衷于让政府和行业更加意识到可能的好处——特别是在提高依赖传感器的国家关键基础设施的安全方面，例如空中交通管制系统和供水设施. 然而，我们和其他人在获得关注和资金以使量子传感器适应现实世界环境方面面临障碍。#量子#

　　挑战之一是很难准确预测新兴技术将如何以及在何处被采用。物理学的历史充满了偶然的发明。例如，X 射线发生器是检验电子束是否可以穿过玻璃的实验的意外副产品，但它们现在对医学和机场安全至关重要。激光的发明者西奥多·梅曼 (Theodore Maiman) 曾将这项技术描述为“寻求问题的解决方案”。

　　另一个因素是许多人——包括商业领袖——认为量子技术是未来的设备，而不是现在的设备。与受到大量媒体关注但可能需要数十年才能提供广泛商业优势的量子计算机不同，量子传感器已经在实验室中投入使用。少数用于商业用途：例如，原子钟使用原子中的高频量子跃迁极其准确地测量时间的流逝。它们的准确性保持了通信和能源网络以及数字无线电台的同步。它们对于 GPS 等卫星导航服务至关重要。

　　即便如此，GPS 接收器从军方、精通技术的徒步旅行者和船长使用的专业设备转变为为智能手机和汽车提供导航，还是用了20 年的时间。现在，量子界需要建立类似的途径来实现其他类型量子传感器的商业利益。

　　在卫星上飞行的量子重力传感器和量子气体探测器可以收集地下水、二氧化碳和甲烷水平的准确数据，以改进气候模型。量子磁传感器可以对人的大脑信号进行实时成像1，而量子重力仪可以监测地下水位和火山喷发2。例如，跟踪重力梯度、磁场和惯性力的量子传感器组合比传统传感器精确 1000 倍，可以在卫星信号受干扰或无法到达的地方（例如偏远地区、冲突地区或水下）实现可靠导航.

　　在这里，我们强调了将量子传感器商业化以加快采用速度的五个优先事项。

　　让他们更健壮

　　工业界的创新者很少会对仅仅证明一个概念的实验室结果感到兴奋。他们想知道设备是否可以针对特定应用可靠地工作，并且有利于他们的企业财务。研究人员需要确保任何投放市场的传感器都是稳健可靠的，可以重复制造且具有成本效益，并且与其他使用中的系统兼容。实际上，这可能意味着重新设计该技术的许多方面。每一次调整都会带来新的挑战。

　　例如，在我们位于伯明翰的英国量子技术中心传感器和计算实验室中，我们开发了一种测量重力梯度的传感器。在相距1 米的两个腔室中，激光从蒸气中捕获铷原子并将它们冷却至静止状态3。更多的激光脉冲产生量子态的叠加，并为每个云中的原子读出这些。软件将这些信号转换为重力梯度测量。通过使用单个激光束来操纵原子，这种量子设备对振动噪声的敏感度比传统重力仪低1,000 倍，因此更易于部署。

　　基于合成金刚石的量子传感器可以实时测量超大规模原子纳米尺度的磁场。

　　我们在实验室中首次展示的版本是一辆小型货车那么大，桌子上摆满了光学元件以及电子系统和电源的机架。它由定制零件制成，并由手工调校。将此设备带到实验室外，通过局部重力的微小变化4来感知地下隧道，意味着要使所有组件更坚固、更小、更便宜，并提高它们的性能。

　　我们的物理学家和工程师必须找到在不同温度下控制激光束的方法，将其置于真空中以避免空气湍流，并使激光脉冲化以减少杂散磁场的影响。正在进行的工作是在移动平台上操作该设备以简化部署，提高其灵敏度和带宽以加快绘图速度，并将其尺寸减小到背包的大小，以便可以安装在无人机上以测量大面积区域。

　　一种有前途的小型化途径将量子传感器集成到光子微芯片中。它们依赖于光（光子）而不是传统微芯片中使用的电子，并且快速且节能。光纤网络中也有类似的技术。量子传感器可以使用光子芯片和用于汽车安全气囊的微机电系统 (MEMS) 的现有制造工艺进行小型化。其好处是它们坚固耐用，并且比笨重的光学系统更好地应对振动。

　　面临的挑战是将所有元素集成到一个系统中，该系统包括激光器、调制器、波导和分束器，以及蒸气室等组件。需要对新材料、制造技术、设备封装以及测试和验证程序进行进一步的研究和投资。还迫切需要将量子传感器技术标准化为低成本构建模块，以反映光纤通信和 MEMS 传感器技术的过程。

　　找出我们需要他们的地方

　　研究人员需要与商业领袖交谈，以确定量子传感器如何在一系列应用中增加价值。例如，重力传感器的用途并不明显；很少有人根据重力或材料密度来想象周围的环境。但在与 100 多家公司讨论后，我们得出结论，重力传感器非常适合揭示地下的未知数，从被遗忘的矿井的位置到地下水位，以及土壤和岩浆流中的碳分布。原则上，这些可以通过经典重力仪看到，但地面振动使测量时间过长，单个数据点通常需要 5-10 分钟。使用量子重力梯度仪，可以在几秒钟内收集到此类数据，从而开启了重力制图的潜力4. 而这正是我们迄今为止所关注的。

　　一种光学时钟，其中锶离子响应激光而振荡。

　　需要为学术界和工业界之间的应用研究和多学科合作提供资金来验证这些想法。在我们的案例中，下一步涉及使用此类重力仪进行地球物理学研究，以加深对地下水流动和积聚方式的理解。例如，此信息可用于改进洪水模型。还需要土木工程研究如何最好地使用此类传感器检测水管泄漏。更广泛的技术和经济考虑因素将决定如何最有效地将这种方法用于水资源管理。

　　公司应该开始考虑新的商业模式，例如为农民提供地下测绘服务以帮助减少灌溉用水。参与试点项目将使企业处于有利地位，可以利用市场混乱，而不是被它抓住。

　　将它们集成到当前系统中

　　任何传感器都必须插入更大的系统才能获得好处。例如，惯性传感器（一种检测运动的传感器）本身相对无用。但当与智能手机中的电子产品、软件和显示屏集成时，它可以提供有关用户步数和燃烧卡路里的健康信息。

　　同样，量子加速度计和旋转、重力和磁场传感器可以组合成定位、导航和授时系统，供海底和地下使用。对于这种应用，量子传感器比传统传感器具有更低的偏差、更高的精度和更高的稳定性，无需使用 GPS 等全球卫星系统即可实现米级精度的导航。例如，这种能力将有助于勘探海底资源，以及保护和维护海上风电场和石油钻井平台的管道、电缆和地基。

　　然而，将量子传感器集成到成熟的导航系统中仍然极具挑战性。仅构建一个惯性测量单元就需要三个加速度计，一个用于每个空间维度，以及三个旋转传感器，一个用于每个旋转自由度，以完美的直角排列，并且都与一个时钟相连。如果安装在车辆或潜艇上，这样的导航系统将需要补偿当地重力和地球自转引起的其他力的微小变化。整个东西都需要校准，这很难在所需的高精度水平上实现。

　　需要重力和磁传感器来沿着车辆的轨迹绘制这些场，以及带有专业软件的计算机控制系统。需要开发现场读数数据库，以便与记录的重力和磁迹进行比较，以允许绝对定位来处理不可避免的长期漂移。

　　研究人员还需要详细考虑如何将量子传感器系统连接到国家和国际基础设施网络。例如，通信网络可能会因下一代量子时钟“光学时钟”而发生革命性变化，其精度可能是当前卫星导航系统提供的时间的 1,000 倍。例如，这可能会启用超高速宽带的新模式，将更多的数据包压缩到信道带宽中，并使用更少的能量来传输每一位数据。同样，能够检测氢气的量子传感器可以加速从天然气到氢燃料的能量转换，因为它们可以检测泄漏并保护基础设施，从而能够安全地推出这种具有高度爆炸性的燃料。

　　虽然学术研究人员可以开发具有正确特性的传感器，但行业需要引领这个系统集成阶段。现有的学术资金来源太少，无法支持此类合作研究。要实现这一目标，需要与行业签订大量长期研发合同。例如，在 2000 年代，美国国防高级研究计划局的资助通过涉及学术界和工业界的专门开发计划，在十年内帮助创建了芯片级原子钟。

　　建立数据需求

　　来自传感器的原始数据需要转换为对特定任务有用的信息。例如，虽然量子磁场传感器可以检测与大脑神经活动模式相关的微小场，但大脑活动的 3D 可视化需要一系列此类传感器、算法和图形表示，以医生可以解释的方式显示它们.

　　此类系统的开发正在进行中1，可能会彻底改变对大脑状况的理解。实时绘图（例如每秒扫描 100 次）和分析大脑对视觉或感官刺激的反应，即使在人移动时，也可能会取代目前基于患者问卷诊断大脑疾病的技术。它还可以让医生根据个人情况评估药物对大脑疾病的疗效。

　　德国公司 Q.ANT 的一名研究人员正在检查用于工业用途的量子传感器。

　　同样，需要高级分析来从重力测量中提取 3D 地下图像，在这种情况下，确定感测物体的深度仍然具有挑战性。由量子振荡器驱动的雷达组需要联网以显示详细的图像，而不是雷达屏幕上的点，例如需要对无人机和飞越城市的鸟类进行分类和区分。必须部署大数据技术来收集所有这些信息，例如，能够监控城市中数以万计的送货无人机。

　　也许在时间和精力方面最大的数据挑战是通过试验创建“训练”数据集。研究人员需要进行大规模医学试验以寻找大脑状况的生物标志物，从重力仪网络收集数据以了解地下水和其他资产，并通过跨城市的传感器网络获取雷达数据。我们鼓励政府为此类项目提供资金，以培育未来的企业。

　　协作创新

　　尽管许多成功的国家已经开始积极主动地协同努力尝试开发相当于基础物理学水平的自动驾驶汽车的量子技术，但采用和开发的方法仍然分散。由于许多团队各自为战，解决我们概述的研究挑战需要数十年时间。为了加快速度，需要一种协调量子传感器研究项目的策略。

　　在管道的研究端，包括德国、日本、荷兰、英国和美国在内的一些国家已经建立了中心和大型项目，通过捆绑专业知识和提供门户来满足量子技术的学术和国家需求。与行业和其他合作伙伴的互动。然而，一般来说，传感器在国家量子技术计划中没有得到应有的关注，除了少数例外，例如德国巴登符腾堡州的一项计划 QuantumBW，它明确关注量子传感。

　　各国政府需要出台政策和法规来支持量子传感器的创新，其中一个重点是加强关键国家基础设施的管理和安全。例如，一项 2020 年的总统令要求美国国家航空当局在 2025 年之前独立于全球导航卫星系统计时。这将确保空中交通管制系统继续工作，即使这些系统因意外或敌对干预而失效。现在确定影响还为时过早，但该命令已经为与计时技术相关的商业理念的出现设定了边界条件。

　　通信、水资源管理和医学领域的类似方法可能会鼓励这些领域采用量子传感器，以使其更具弹性——通过独立的计时和导航或更详细的数据。这些技术的发展将有助于减少人类活动对地球环境的影响，同时保护我们赖以生存的自然资源。

（编辑：通辽站长网）

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