量子传感器发展指南

在医学、技术和工程领域推动原子级的传感革命。

我曾设想过有一种传感器可以检测思维磁场，不需要GPS就能够以GPS的精度跟踪运动，不需要复杂的PCR分析试样就能够在几秒钟内检测出极少量的病毒或其他病原体。正如量子计算机可以在理论上解出经典计算机无法解决的问题，新一代量子传感器也将推动灵敏度更上一层楼，能够催生新的应用类型，而且可以带来新机会，推动科技等诸多领域的进步。量子技术依赖的是量子效应，因为宇宙在最小层面会变得很不确定。例如，“叠加”量子效应允许原子和宇宙的其他元素在同一时间存在于两个或多个地点，而另一种“纠缠”量子效应可以连接粒子，产生实时的相互影响，无论这些粒子之间的距离有多远。不过，令人诟病的是这些量子效应非常容易受到外界干扰。量子计算机一直在努力克服这个弱点，而量子传感器却可以利用这一弱点来实现超凡的灵敏度，感应到环境中最轻微的扰动。如今开发和部署的诸多量子传感器有很多，下文介绍其中的几种。

脑部扫描：大脑中的电流会产生磁场，传感器可以通过分析磁场来对脑部活动进行非侵入性扫描。如今，量子传感器可使可穿戴头盔以前所未有的性能和成本，进行脑磁图（MEG）扫描。

目前的脑磁图扫描采用的是超导量子干涉器件（SQUID）。这需要使用昂贵的液氦实现零下269℃的冷却效果，因此扫描仪非常庞大。相比之下，英国诺丁汉的创业公司Cerca Magnetics的设备尺寸只有一块乐高积木大小。这种被称为光泵磁力仪（OPM）的设备包含一个激光器，该激光器发出的光束穿过一团铷原子射向光探测器。光束可以让铷原子的磁场排列整齐，使原子团基本上是透明的。很小的磁场（例如来自脑部活动的磁场）会干扰这些原子，光探测器可以检测到其能够吸收光线，然后激光器会重置原子团，使其继续对磁干扰做出响应。这些量子传感器可以在室温下运行，因此其尺寸要比笨重的超导量子干涉器件小得多。Cerca公司总裁、诺丁汉大学物理学教授马修•布鲁克斯（Matthew Brookes）说，这意味着，我们可以将这些传感器放置在更靠近人脑的地方，从而将信号强度提高至少2倍（理论上可达5倍），且磁成像精度达到毫米级，脑部表面的分辨率达到毫秒级。这种传感器小巧轻量，可以安装到可穿戴头盔中。被扫描者在扫描期间可自由移动，而不像现在这样要长时间保持静止。此外，这种传感器还可以适应不同的头部形状和大小，因此不仅能够扫描成人脑部，还可以扫描儿童和婴儿的脑部。布鲁克斯说，OPM技术的成本仅为SQUID系统成本的一半。Cerca扫描仪可以帮助检测癫痫、脑震荡、痴呆症和神经分裂症等神经障碍，“有助于揭示许多严重和衰竭的疾病。”他说。布鲁克斯说，未来的研究目标是让这些传感器接近其理论灵敏度极限、允许更自由的移动，并增加虚拟现实和机器学习技术，推动研究人员在实验和分析中应用扫描仪。

新冠病毒检测：另一种前景广阔的量子传感器可以更快速、更廉价和更准确地检测引发全球疫情的新冠病毒。这种传感器依靠的是有缺陷的微小人造钻石，其中的一个碳原子被一个氮原子替代，相邻的碳原子缺失。晶体中的这些缺陷就像一个微小的磁体，其排列对磁场非常敏感，从而可利用这种“氮空位中心”充当传感器。

这种新型技术由麻省理工学院和加拿大滑铁卢大学的研究人员开发，将磁性化合物涂在约25纳米宽的氮空位中心钻石上，磁性化合物在与新冠病毒特定的RNA序列结合后会从钻石上分离。这种钻石被绿光照亮时，会显现出红色光晕。磁性涂料会使光晕变淡；将传感器暴露在病毒中可增强光晕。目前新冠病毒的黄金标准检测方法需要几个小时才能生成足够的病毒基因材料副本进行检测。此外，这种方法无法高精度测定病毒的含量，而且假阴性概率超过25%。对比之下，计算机仿真表明，新的测试方法在理论上产出结果只需几秒钟，而且灵敏度很高，可以检测出几百个病毒RNA，假阴性概率低于1%。测试中使用的纳米钻石和其他材料的价格低廉，而且通过调整磁性涂料匹配目标病毒的方法几乎可以应用到所有病毒的检测种，包括可能出现的新型病毒。目前，麻省理工学院和滑铁卢大学的这个团队正在对传感器进行合成和测试，了解其实际性能。“我们希望很快就能得到不错的结果。”研究员、麻省理工学院的量子工程师李长昊（Changhao Li，音）说。

量子加速计：目前全球在很大程度上都依赖于GPS等全球导航卫星系统，但用于定位、导航和计时的卫星链路无法在地下或水下应用，而且很容易受到人为干扰、电子欺骗和天气的影响。如今，伦敦帝国理工学院和格拉斯哥M Squared公司打造的量子传感器可在无法使用GPS时帮助船舶导航。

这种量子传感器是一种被称为原子干涉仪的器件。它与脑部扫描传感器有点类似，使用激光脉冲驱使过冷原子团进入微妙的量子叠加状态。在这种状况下，每个原子的轨迹都会在量子物理学上相互干扰，其波峰和波谷会彼此增强或抑制。分析原子波包相位的变化可以揭示原子经历的加速或旋转。该设备可以分析这些结果，计算出其位置随时间发生的变化。这种量子加速计可以作为不依赖任何外部信号的惯性导航系统的基础。如果没有外部参考信号，温度波动和其他因素可导致常规惯性导航系统的位置估计值在数小时内发生漂移。伦敦帝国理工学院冷物质中心的研究员约瑟夫•科特（Joseph Cotter）说，M Squared公司的设备经历几天的漂移都可忽略不计。“早期采用这种新兴量子技术的可能是那些对水下或水面交通工具的远程导航感兴趣的人。”科特说，“不过，随着这项技术的发展，相关设备变得越来越小巧和廉价，将其部署在船舶、列车和飞机上，整个运输行业都会广泛受益。”研究人员计划在今年夏季对其最新设备进行实地测试。科特指出，目前量子加速计的“体积相当于两台洗衣机。我们正在努力让它变得更紧凑”。

难以估量的极限：最近，澳大利亚的科学家开发出了首款可编程量子传感器，这种设备具有空前级别的灵敏度，接近量子力学的基本极限。

在这项研究中，他们通过一台量子计算机进行编程，使其自身达到最佳设置，测量其组件的状态。他们发现，这种可编程量子传感器可自我优化，从而接近基本传感极限系数，达到约1.45。（传感器的传感极限系数越接近1，性能越好。）他们表示，可编程量子传感器可以像磁性传感器和惯性传感器一样，应用在原子钟和全球定位导航系统等设备中。总而言之，美国伊利诺斯州阿贡国家实验室的物理学家大卫•奥沙洛姆（David Awschalom）说：“量子传感器展现出极高精度，能够用于解决从单一蛋白质到天文和宇宙的各种问题。”本文扩展版的在线标题为《量子传感——促进新型传感器的原子级发展》（A Quantum of Sensing— Atomic Scale Bolsters New Sensor Boom）。作者：Charles Q. Choi

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