量子傳感器技術與應用分析
發布時間:2020-03-27 責任編輯:lina
【導讀】量子傳感器是根據量子力學規律、利用量子效應設計的、用於執行對係統被測量進行變換的物理裝置。量子傳感器運用了量子態的極端敏感性,但要使它們切實可行、落地應用是一個極大的挑戰。
量子傳感器是根據量子力學規律、利用量子效應設計的、用於執行對係統被測量進行變換的物理裝置。量子傳感器運用了量子態的極端敏感性,但要使它們切實可行、落地應用是一個極大的挑戰。
一、量子傳感器的定義
一項技術怎樣才能認為是量子技術?
業內研究員普遍認為,遵循量子力學規律,利用量子的疊加性與糾纏性等量子效應的技術,都可嚴格地認為是量子技術。
jinnianlai,renmenfaxianliyongliangzilixuedejibenshuxing,liruliangzixianggan,liangzijiuchan,liangzitongjidengtexing,keyishixiangenggaojingdudeceliang。yinci,jiyuliangzilixuetexingshixianduiwuliliangjinxinggaojingdudeceliangchengweiliangzichuangan。zailiangzichuanganzhong,diancichang、溫度、壓力等外界環境直接與電子、光子、聲(sheng)子(zi)等(deng)體(ti)係(xi)發(fa)生(sheng)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)並(bing)改(gai)變(bian)它(ta)們(men)的(de)量(liang)子(zi)狀(zhuang)態(tai),最(zui)終(zhong)通(tong)過(guo)對(dui)這(zhe)些(xie)變(bian)化(hua)後(hou)的(de)量(liang)子(zi)態(tai)進(jin)行(xing)檢(jian)測(ce)實(shi)現(xian)外(wai)界(jie)環(huan)境(jing)的(de)高(gao)靈(ling)敏(min)度(du)測(ce)量(liang)。而(er)利(li)用(yong)當(dang)前(qian)成(cheng)熟(shu)的(de)量(liang)子(zi)態(tai)操(cao)控(kong)技(ji)術(shu),可(ke)以(yi)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)測(ce)量(liang)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)。因(yin)此(ci),這(zhe)些(xie)電(dian)子(zi)、光子、聲子等量子體係就是一把高靈敏度的量子“尺子”——量子傳感器。
所謂量子傳感器,可以從兩方麵加以定義:
(1)利用量子效應、根據相應量子算法設計的、用於執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的變換元件。
不管從哪個方麵定義,量子傳感器都必須遵循量子力學規律。可以說,量子傳感器就是根據量子力學規律、利用量子效應設計的、用於執行對係統被測量進行變換的物理裝置。
比如量子雷達技術,就運用了量子糾纏原理。根據物理學家SethLloyddelilunfangan,zhegeguochengbaokuojiangyixiliejiuchanguangziduizhongdeyibancongyigewutishangdanhuilai,ranhoujiangfanhuideguangziyubeizudangdeguangzijinxingbijiao。zheyangzuodemudeshijiangzuichufachudefusheyuqiangzaoshengyuanqufenkailai,faxianyinxingfeijidengputongleidawufatancedaodewuti,bingjiangleidacaozuoyuanyinzangqilai
與蓬勃發展的生物傳感器一樣,量子傳感器應由產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。

二、量子傳感器的特性
傳感器的性能品質主要從準確度、穩定性和靈敏度等方麵加以評價。結合量子傳感器的自身特點,可以從以下幾個方麵來考慮量子傳感器的性能:
(1)非破壞性:
在量子控製中,由於測量可能會引起被測係統波函數約化,同時,傳感器也可能引起係統狀態變化,因此,在測量中,要充分考慮量子傳感器與係統的相互作用。因為量子控製中的狀態檢測與經典控製中的狀態檢測存在本質上的不同,測量可能引起的狀態波函數約化過程暗示了對狀態的測量已經破壞了狀態本身,因此,非破壞性是量子傳感器應重點考慮的方麵之一。在進行實際檢測時,可以考慮將量子傳感器作為係統的一部分加以考慮,或者作為係統的擾動,將傳感器與被測對象相互作用的哈密頓考慮在整個係統狀態的演化之中;
(2)實時性:
根據量子控製中測量的特點,特別是狀態演化的快速性,使得實時性成為量子傳感器品質評價的重要指標。實時性要求量子傳感器的測量結果能夠較好的與被測對象的當前狀態相吻合,必要時能夠對被測對象量子態演化進行跟蹤,在設計量子傳感器時,要考慮如何解決測量滯後問題;
(3)靈敏性:
由於量子傳感器的主要功能是實現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,在設計量子傳感器時,要考慮其靈敏度能夠滿足實際要求;
(4)穩定性:
在量子控製中,被控對象的狀態易受環境影響,量子傳感器在探測對象量子態時也可能引起對象或傳感器本身狀態的不穩定,解決的辦法是引入環境工程的思想,考慮用冷卻阱、低溫保持器等方法加以保護;
(5)多功能性:
量子係統本身就是一個複雜係統,各子係統之間或傳感器與係統之間都易發生相互作用,實際應用時總是期望減少人為影響和多步測量帶來的滯後問題,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,並將合適的智能控製算法融入其中,設計出智能型的、多功能量子傳感器。
量子傳感器具有許多經典傳感器所不具有的性質,設計量子傳感器時,在重點考慮將量子領域不可直接測量量變換成可測量量外,還應從非破壞性、實時性、靈敏性、穩定性、多功能性等方麵對量子傳感器的性能加以評估。
三、量子傳感器的應用
隨著量子控製研究的深入,對敏感元件的要求將越來越高,傳感器自身的發展也有向微型化、量子型發展的趨勢,量子效應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製、狀態檢測等方麵得到廣泛應用。
①、微小壓力測量
美國國家標準與技術研究所(NIST)yijingyanzhichuyizhongyalichuanganqi,keyiyouxiaodiduihezilidekelijinxingjishu。gaizhuangzhitongguoceliangjiguangshuchuanguohaiqiqianghezhenkongqiangshichanshengdepaipinlaibijiaozhenkongqianghehaiqiqiangdeyali。qitizhongjiguangpinlvdeweixiaobianhua,yibaochigongzhenzhubofanyingleyalideweixiaobianhua(因為壓力改變折射率)。
該(gai)量(liang)子(zi)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi),加(jia)上(shang)氦(hai)折(zhe)射(she)率(lv)的(de)第(di)一(yi)原(yuan)理(li)計(ji)算(suan),可(ke)以(yi)作(zuo)為(wei)壓(ya)力(li)標(biao)準(zhun),取(qu)代(dai)笨(ben)重(zhong)的(de)水(shui)銀(yin)壓(ya)力(li)計(ji)。還(hai)可(ke)能(neng)應(ying)用(yong)於(yu)校(xiao)準(zhun)半(ban)導(dao)體(ti)鑄(zhu)造(zao)廠(chang)的(de)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi),或(huo)作(zuo)為(wei)非(fei)常(chang)精(jing)確(que)的(de)飛(fei)機(ji)高(gao)度(du)計(ji)。
②、精準重力測量
guangxianceliangbingbushiyongyusuoyoudechengxianggongzuo,zuoweixindetidaibuchongshouduan,zhongliceliangkeyihenhaodefanyingchumouyidifangdexiweibianhua,lirunanyijiejindelaokuangjing、坑洞和深埋地下的水氣管。用此方法,油礦勘探和水位監測也會變得異常容易。
利用量子冷原子所開發的新型引力傳感器和量子增強型MEMS(微電子機械係統)技術要比以前的設備有更高的性能,在商業上也會有更重要的應用。
而低成本MEMS裝(zhuang)置(zhi)也(ye)在(zai)構(gou)想(xiang)之(zhi)中(zhong),預(yu)計(ji)它(ta)將(jiang)會(hui)隻(zhi)有(you)網(wang)球(qiu)大(da)小(xiao),敏(min)感(gan)程(cheng)度(du)要(yao)比(bi)在(zai)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)運(yun)動(dong)傳(chuan)感(gan)器(qi)高(gao)一(yi)百(bai)萬(wan)倍(bei)。一(yi)旦(dan)這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)成(cheng)熟(shu),那(na)麼(me)大(da)麵(mian)積(ji)的(de)重(zhong)力(li)場(chang)圖(tu)像(xiang)繪(hui)製(zhi)也(ye)就(jiu)將(jiang)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)。
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了一種We-g檢測器,We-g是一種基於MEMS的重力儀,它比傳統的重力傳感器輕得多,而且可能比傳統的重力傳感器便宜得多。

We-g傳感器利用量子光源來改善設備精度,即便是更小的物體也可以被檢測到——huoyouzhuyuxuebengyudizhenzaihaizhongdejiuyuanxingdong,yijibangzhujianzhuxingyequedingdixiadexiangxizhuangkuang,jianshaoyouyuyiwaiweixianzaochengdegongchengyanwu,bingbaituoduiangguidekantanwajuedeyilai。
另外,常規性地球遙感觀測也可以通過精確重力測量來實現,監測的範包括地下水儲量、冰川及冰蓋的變化。
③、量子傳感器探測無線電頻譜
美國陸軍研究人員研製出了一款新型量子傳感器,可以幫助士兵探測整個無線電頻譜——從0到100吉赫茲(GHz)的通信信號。
新型量子傳感器非常小巧,幾乎無法被其他設備探測到,有望讓士兵們如虎添翼,如可用作通信接收器。
盡管裏德堡原子擁有廣譜靈敏度,但科學家迄今從未對整個運行波段的靈敏度進行定量描述。
相比於傳統接收器,新量子傳感器體積更小,而且其靈敏度可與其他電場傳感器技術——如電光晶體和偶極天線耦合的無源電子設備等相媲美。
目mu前qian,陸lu軍jun科ke學xue家jia計ji劃hua進jin一yi步bu錘chui煉lian最zui新xin技ji術shu,提ti高gao這zhe款kuan量liang子zi傳chuan感gan器qi的de靈ling敏min度du,使shi其qi能neng探tan測ce到dao更geng弱ruo的de信xin號hao,並bing擴kuo展zhan用yong於yu探tan測ce更geng複fu雜za波bo形xing的de協xie議yi。
然而,有關量子傳感器的想象力還不止於此:量子磁性傳感器的發展將大幅降低磁腦成像的成本,有助於該項技術的推廣;而用於測量重力的量子傳感器將有望改變人們對傳統地下勘測工作繁雜耗時的印象;即便在導航領域,往往導航衛星搜索不到的地區,就是量子傳感器所提供的慣性導航的用武之地。
④、醫療健康
癡呆病:根據阿爾茨海默病協會估計,全世界每年因癡呆病而造成的經濟損失約有5000yiyingbang,zheyishuzihaizaibuduanzengjia。erdangqianjiyuhuanzhewenjuandezhenduanxingshitongchanghuishizhiliaoshouduandexuanzekenengxingbeiyanzhongxianzhi,zhiyouzuohaozaoqidezhenduanheganyucaikeyiyougenghaodexiaoguo。
研究人員正在研究一種稱為腦磁圖描記術(MEG)的(de)技(ji)術(shu)可(ke)用(yong)於(yu)早(zao)期(qi)診(zhen)斷(duan)。但(dan)問(wen)題(ti)是(shi)該(gai)技(ji)術(shu)目(mu)前(qian)需(xu)要(yao)磁(ci)屏(ping)蔽(bi)室(shi)和(he)液(ye)氦(hai)冷(leng)卻(que)操(cao)作(zuo),這(zhe)使(shi)得(de)技(ji)術(shu)推(tui)廣(guang)變(bian)得(de)異(yi)常(chang)昂(ang)貴(gui)。而(er)量(liang)子(zi)磁(ci)力(li)儀(yi)則(ze)可(ke)以(yi)很(hen)好(hao)地(di)彌(mi)補(bu)這(zhe)方(fang)麵(mian)的(de)缺(que)陷(xian),它(ta)靈(ling)敏(min)度(du)更(geng)高(gao)、幾乎不需要冷卻和與屏蔽,更關鍵的是它的成本更低。
癌症:一種名為微波斷層成像的技術已應用於乳腺癌的早期檢測多年,而量子傳感器則有助於提高這種技術的靈敏度與顯示分辨率。與傳統的X光不同,微波成像不會將乳房直接暴露於電離輻射之下。
此外,基於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的溫度和磁場成為了可能,這為醫學研究提供了新的工具。
心髒疾病:心xin律lv失shi常chang通tong常chang被bei看kan作zuo是shi發fa達da國guo家jia的de第di一yi致zhi死si殺sha手shou,而er該gai病bing症zheng的de病bing理li特te征zheng就jiu是shi時shi快kuai時shi慢man的de不bu規gui則ze心xin跳tiao速su度du。目mu前qian正zheng在zai開kai發fa中zhong的de磁ci感gan應ying斷duan層ceng攝she影ying技ji術shu被bei視shi作zuo可ke以yi診zhen斷duan纖xian維wei性xing顫chan動dong並bing研yan究jiu其qi形xing成cheng機ji製zhi的de工gong具ju,量liang子zi磁ci力li儀yi的de出chu現xian會hui大da大da提ti升sheng這zhe一yi技ji術shu的de應ying用yong效xiao果guo,在zai成cheng像xiang臨lin床chuang應ying用yong、病患監測和手術規劃等方麵都會大有益處。
⑤、交通運輸和導航
交通運輸越發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量提出了要求,衛星導航設備、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,傳感器技術的發展也將麵對新的挑戰。自動駕駛汽車和火車的定位及導航精度被嚴格要求在10厘米以內;下xia一yi代dai駕jia駛shi輔fu助zhu係xi統tong必bi須xu可ke以yi隨sui時shi監jian測ce到dao當dang地di厘li米mi級ji的de危wei險xian路lu況kuang。使shi用yong基ji於yu冷leng原yuan子zi的de量liang子zi傳chuan感gan器qi,導dao航hang係xi統tong不bu但dan可ke以yi將jiang位wei置zhi信xin息xi精jing確que到dao厘li米mi,還hai必bi須xu具ju備bei在zai諸zhu如ru水shui下xia、地下和建築群中等導航衛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展之中(例如工作在太赫茲波段的傳感器),tamenkeyijiangdaolupinggudejingdujingquedaohaomiji。ciwai,zuichuweiyuanzizhongerkaifadejiyujiguangdeweiboyuanyekeyitishengjichangleidaxitongdegongzuofanweihegongzuojingdu。
四、量子傳感器革命還有多遠?
許(xu)多(duo)專(zhuan)家(jia)說(shuo),世(shi)界(jie)正(zheng)處(chu)在(zai)第(di)二(er)次(ci)量(liang)子(zi)革(ge)命(ming)的(de)邊(bian)緣(yuan)。能(neng)量(liang)量(liang)子(zi)化(hua)通(tong)過(guo)晶(jing)體(ti)管(guan)和(he)激(ji)光(guang)為(wei)人(ren)類(lei)帶(dai)來(lai)了(le)現(xian)代(dai)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu),但(dan)隨(sui)著(zhe)人(ren)類(lei)操(cao)縱(zong)單(dan)個(ge)原(yuan)子(zi)和(he)電(dian)子(zi)的(de)能(neng)力(li)迅(xun)速(su)發(fa)展(zhan),可(ke)能(neng)會(hui)改(gai)變(bian)通(tong)訊(xun)、能源、醫藥和國防等行業。這在英國和歐盟為了將尋求將量子技術商業化引發了大資金的特殊項目,同時在美國最近頒布了國家量子計劃(美國光學學會是其中創始合夥人),並且中國和其他國家將花費數十億美元在未來幾年進行相關研究。
美國陸軍研究實驗室傳感器與電子設備局物理學家QudsiaQuraishi博(bo)士(shi)指(zhi)出(chu),下(xia)一(yi)代(dai)精(jing)確(que)傳(chuan)感(gan)係(xi)統(tong)涉(she)及(ji)量(liang)子(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi),量(liang)子(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)基(ji)於(yu)激(ji)光(guang)冷(leng)卻(que)原(yuan)子(zi),極(ji)可(ke)能(neng)大(da)幅(fu)提(ti)升(sheng)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)。激(ji)光(guang)冷(leng)卻(que)原(yuan)子(zi)是(shi)小(xiao)型(xing)相(xiang)幹(gan)氣(qi)體(ti)原(yuan)子(zi),可(ke)以(yi)測(ce)量(liang)重(zhong)力(li)場(chang)或(huo)磁(ci)場(chang)變(bian)化(hua),不(bu)僅(jin)非(fei)常(chang)精(jing)確(que),而(er)且(qie)靈(ling)敏(min)度(du)很(hen)高(gao)。
許多從事量子傳感器研究的科學家都成立了公司來將他們的技術商業化,但很少有真正的產品上市。
qishizailiangzijishuzhong,renmentanlunzuiduodeshiliangzijisuanji。lilunshang,liangzijisuanjigongnengqiangda,keyizaiduanduanjifenzhongneipojiehulianwanganquandedicengdaima。danshiquanchicunliangzijisuanjidewenshikenenghaixuyaojishiniandeshijian。xiangbizhixia,liyongliangzixianxiangjiamierfeipojiemimadeshebeizhengkaishichuxianzaishichangshang。
不過,許多科學家相信量子將在傳感領域獲得第一次真正的商業成功。這是因為傳感可以利用量子計算機的一個特性:liangzitaiduihuanjingyichangmingan,erzhezhengshizhizaoliangzijisuanjirucikunnandeyuanyin。wuluntamenshiduibeimaiwutideyinlizuochufanying,haishijieshourenleidanaodecichang,liangzichuanganqidounengtancedaolaizizhouweishijiedegezhongweiruoxinhao。yingguobominghandaxuedewulixuejiaKaiBongs說他認為,特別是重力測量量子傳感器,“將很快得到更廣泛的應用”,其潛在市場可能達到每年10億美元。

然而,除了某些瞄準機會的市場外,量子傳感器的競爭力還有待觀察。它們通常比它們的經典對手體積更大、更複雜——正如巴黎SYRTE計量實驗室的FranckPereiraDosSantos指出的那樣,多年來它們從巨額投資中受益。他認為,量子技術有時會被那些缺乏製造傳感器實際經驗的人誇大。
但無論如何,量子理論的創立是20世紀最輝煌的成就之一,它揭示了微觀領域物質的結構、性質和運動規律,把人們的視角從宏觀領域引入到微觀係統。
而且,當前,利用電子、光子、聲子等量子體係已經可以實現對電磁場、溫度、壓力、慣性等物理量的高精度量子傳感,實驗演示了量子超分辨顯微鏡、量子磁力計、量子陀螺等,並應用在材料、生物等相關學科研究中。
所suo以yi,雖sui然ran量liang子zi傳chuan感gan器qi實shi現xian量liang產chan推tui向xiang市shi場chang會hui是shi道dao阻zu且qie長chang,但dan相xiang信xin未wei來lai隨sui著zhe相xiang關guan技ji術shu的de逐zhu漸jian成cheng熟shu,量liang子zi傳chuan感gan器qi將jiang在zai國guo計ji民min生sheng方fang麵mian得de到dao廣guang泛fan應ying用yong。
(來源:傳感器專家網)
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