量子传感，科技革命的新前沿
2019-12-26 21:45:28   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

近期提及量子技术，人们往往会立刻想到复杂的新型量子计算机。大众媒体可能仍将更多关注量子计算，但是，相对来说鲜为人知的量子传感，它的应用领域更广，并正快速走向市场。

据麦姆斯咨询介绍，量子传感覆盖了运动传感（包括加速度、旋转和重力）、电场、磁场以及成像应用。量子传感的优势包括：

■ 覆盖广阔频率非常精确地测量电场和磁场。

■ 根据原子性质测量物理量，因此不会出现漂移且无需校准。

■ 使用量子纠缠来提高灵敏度或精度。

利用量子传感，可能很快就能实现完美的水下导航，感知重力变化从而揭示潜在的火山活动、气候变化以及地震，行动间监视大脑活动，甚至“观测”转角后方的区域。在我们的日常生活中，量子传感可以确保稳定而精确的导航，增强医学成像，还能告诉我们脚下的地底有什么。

现代数字生活的核心前提之一，是时间和位置数据的持续可用性。微小的中断可能会带来巨大的经济后果，除了汽车驾驶之外，可靠的导航还是航空航天、渔业、供应链、紧急服务甚至股票市场的核心。

不过，目前的导航系统主要依赖于GPS系统，该系统基于非常容易被干扰或误导的无线电接收机。事实上，只要具备一定的专业知识，人们就可以利用市售的硬件搭建一套伪造GPS信号的系统。

而量子导航系统使用的信号很难伪造，因为它们基于自然的基本特性。从而可以构建更加安全的系统，防止发生意外、故障或恶意攻击。

目前，利用磁共振成像（MRI）扫描仪可以生成大脑的3D模型，医生可以用来诊断、监测和治疗神经系统疾病以及其它身体创伤。但这类系统非常昂贵、庞大且有噪声，并且，通常需要患者保持完全静止的状态。

采用量子传感技术，可使更小巧的便携式医疗成像系统成为可能。甚至有可能创建一种可以在患者日常生活中监控其大脑磁场的系统。这将为临床医生提供更多、更有价值的数据，同时减轻患者的压力。

量子传感其它激动人心的应用还包括自动驾驶，因为某些量子传感器可以“看到”转角后方的区域，当然还包括国防应用，极其灵敏的量子磁传感系统可以探测潜艇等水下物体。

石油、天然气和采矿业需要知道这些原材料的准确位置；能源和公用事业公司需要知道他们的管道在哪里；国防和执法部门则常常需要勘探隧道；考古学家也希望可以得到遗失多年建筑物的完整图片。这些需求显而易见，但并不容易实现。探地雷达等技术是很不错，但还没有达到令我们满意的程度。

利用冷原子系统的量子传感可以通过测绘局部重力观测地下数十米的深度。科研机构现在开发的地面系统已经接近所需要的精度，最终，它们可以由无人机携带进行飞行探测，实现快速地下勘探，这对于各个行业都非常有用，还可以改善导航。

目前，这些系统通常基于昂贵的光学组件，因而非常庞大、复杂且仍处于实验阶段。但这一切正在改变。近期的一项“创新英国”计划，创建了一款世界上最小的量子导航原型系统。随着相关组件的商品化和集成化，第二代和第三代量子导航系统预计将进一步缩小尺寸。

英国格拉斯哥大学引力研究所的研究人员利用微米和纳米技术在硅晶圆上制造了一款微型量子重力仪

这意味着量子传感器将在3~5年内开始在某些细分的医疗和国防应用中投入市场。在这个日益依赖传感器和传感技术的时代，它们有潜力提供重要的竞争优势。

各种传感器相关的开发机构或商业组织需要把握量子传感技术的发展动态，更有前瞻性更有实力的机构，可以率先尝试利用这种新技术感知我们周围的世界。

应用这种新颖的技术需要考量能从量子传感所获得的信息，并确定量子、经典或混合系统中最适合的技术方案。相较于对量子物理学的深刻理解，这更要求全面把握如何收集、评估和利用数据。

量子传感具有颠覆性，而问题在于：如何利用，谁将抢占先机？

延伸阅读：

《MIT：基于金刚石氮空位中心的片上量子传感》

《神经传感与计算-2019版》

《我国首次实现纳米级空间分辨电磁场量子传感》