高靈敏度的量子感測器
文 | 感測器技術（WW_CGQJS）
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系統 。一系列區別於經典系統的現象 ，如量子糾纏 、量子相干 、不確定性等被發現 。同時 ,量子理論和量子方法還被應用到化學反應 、基因工程 、原子物理 、量子信息等領域 。
近年來量子信息學的發展，使得對微觀對象量子態的操縱和控制變得越來越重要 。用量子控制的理論和方法來解決量子態的控制問題從而產生了量子控制論 。
量子控制論是以研究微觀世界系統量子態的控制問題的學科，量子感測器即可用於解決量子控制中的檢測問題 。
量子感測器的概念與現狀
在經典控制中 ,測量過程由各種測量儀錶完成 ,其中的變換過程一般由相應的測量感測器完成 。測量儀錶可以由若干個感測器以合適的方式聯接而成 ,共同完成變換 、選擇 、比較和顯示功能 。與經典控制中一樣 ,量子控制中測量的關鍵也是被測量和標準量的比較 。而量子控制中的可觀測量與量子力學中的相應自共軛算符對應 ,量子系統狀態的直接測量一般不易實現 ,需要把被測量按一定的規律轉變為便於測量的物理量 ,進而實現量子態的間接測量 。這一過程可以通過量子感測器完成 。
所謂量子感測器，可以從兩方面加以定義：
(1) 利用量子效應 、根據相應量子演算法設計的 、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 。
不管從哪個方面定義 ,量子感測器都必須遵循量子力學規律 。可以說 ,量子感測器就是根據量子力學規律 、利用量子效應設計的 、用於執行對系統被測量進行變換的物理裝置 。
與蓬勃發展的生物感測器一樣,量子感測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 ,其中敏感元件是感測器的核心 ,它利用的是量子效應 。
隨著量子控制研究的深入 ,對敏感元件的要求將越來越高 ,感測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感測器中扮演重要角色 ,各種量子感測器將在量子控制 、狀態檢測等方面得到廣泛應用 。
量子感測器的性能分析
感測器的性能品質主要從準確度 、穩定性和靈敏度等方面加以評價 。結合量子感測器的自身特點 ,可以從以下幾個方面來考慮量子感測器的性能 :
(1) 非破壞性 :
在量子控制中 ,由於測量可能會引起被測系統波函數約化 ,同時 ,感測器也可能引起系統狀態變化 ,因此 ,在測量中 ,要充分考慮量子感測器與系統的相互作用 。因為量子控制中的狀態檢測與經典控制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 ,非破壞性是量子感測器應重點考慮的方面之一 。在進行實際檢測時 ,可以考慮將量子感測器作為系統的一部分加以考慮 ,或者作為系統的擾動 ,將感測器與被測對象相互作用的哈密頓考慮在整個系統狀態的演化之中 ;
(2) 實時性 :
根據量子控制中測量的特點 ,特別是狀態演化的快速性 ,使得實時性成為量子感測器品質評價的重要指標 。實時性要求量子感測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 ,在設計量子感測器時 ,要考慮如何解決測量滯後問題 ;
(3) 靈敏性 :
由於量子感測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 ,在設計量子感測器時 ,要考慮其靈敏度能夠滿足實際要求 ;
(4) 穩定性 :
在量子控制中 ,被控對象的狀態易受環境影響 ,量子感測器在探測對象量子態時也可能引起對象或感測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 :
量子系統本身就是一個複雜系統 ,各子系統之間或感測器與系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 ,如採樣 、處理 、測量等集成在同一量子感測器上 ,並將合適的智能控制演算法融入其中 ,設計出智能型的 、多功能量子感測器 。
量子感測器具有許多經典感測器所不具有的性質 ,設計量子感測器時 ,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 、多功能性等方面對量子感測器的性能加以評估 。
量子感測器的市場應用
以英國為例，在感測器及相關設備領域的從業者已經超過73000人，對經濟的年均貢獻也，所以整合全產業鏈的重要性也就不言自明了。超過140億英鎊。單單是一個感測器數據服務所衍生出來的價值就已經是天文數字了
然而，有關量子感測器的想像力還不止於此：量子磁性感測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感測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，就是量子感測器所提供的慣性導航的用武之地。
1、土木工程
地下勘測通常是極其昂貴和耗時的，但在建造新的基礎設施時又是必要的，尤其是像高速鐵路、核電站這種大型項目在開建之前。實際上有很多地質構造未探明的地下環境都存在諸如下水道、礦井和沉坑之類的危險。
信息不足的代價往往是十分高昂的，工程延遲、超支和重新規劃都是家常便飯。英國進行基礎設施維護的方法就是每年花費50億英鎊在道路上挖400萬個洞，之所以這麼做竟然是因為人們不清楚地下設施的具體位置。
而在人們的普遍印象中，任何檢查都應該是在地面上進行的，而不需要挖掘坑洞。可現有的雷達、電子檢測儀和磁力儀的性能並不能達到理想效果，超過地下幾米的物體就很難被探測到了。
遇到這種情況，通常的解決方案就是使用重力感測技術，因為地下埋藏的任何物體的重力發生細微的變化都可以被記錄下來並繪製成重力圖。但傳統重力儀的問題是讀數不準確、耗時長且易於受到地面振動的影響。
但如果用量子感測器來進行重力測量就會有明顯的優勢：速度更快、讀數更精確、探測的更深且不受地面振動的影響。這一技術的廣泛應用勢必會對土木工程行業起到極大的推動作用。
2、自然危害預防
在英國有超過500萬的家庭所處的位置都面臨坍塌和沉降的風險; 英國鐵路部門也需要對鐵軌周邊的積水情況進行實時監控，以防止山體滑坡災害的出現。而量子感測器就可以很好地在重力圖上標記處哪裡會有坍塌的風險、哪裡的積水過多。
此外，量子光子感測器還可以快捷地識別地表下諸如油料泄漏之類的危害。這一切都基於量子感測器快速掃描的特點，而這也使得常態化的檢查成為了可能。
3、資源勘探
獲取石油和天然氣等自然資源的重點在於開採地點的確定，這在美國是一個價值30億美元的龐大市場。目前主流的勘探形式為地震探測，效果更佳，但更昂貴的重力測量方式只有在人們了解較少的地方才被採用。
但實際上，重力測量高昂成本的很大部分都來自於調整設備，而如今量子增強型MEMS感測器的出現就減少了設備調整的操作，使整個測量工作可以更快推進，連成本也降到了之前的十分之一。
4、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感測器數量提出了要求，衛星導航設備、雷達感測器、超聲波感測器、光學感測器等都將逐漸成為標配。
然而有了這些還遠遠不夠，感測器技術的發展也將面對新的挑戰。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; 下一代駕駛輔助系統必須可以隨時監測到當地厘米級的危險路況。使用基於冷原子的量子感測器，導航系統不但可以將位置信息精確到厘米，還必須具備在諸如水下、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，其他類型的量子感測器也在不斷發展之中（例如工作在太赫茲波段的感測器），它們可以將道路評估的精度精確到毫米級。此外，最初為原子鐘而開發的基於激光的微波源也可以提升機場雷達系統的工作範圍和工作精度。
5、重力測量
光線測量並不適用於所有的成像工作，作為新的替代補充手段，重力測量可以很好的反映出某一地方的細微變化，例如難以接近的老礦井、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感測器和量子增強型MEMS（微電子機械系統）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裝置也在構想之中，預計它將會只有網球大小，敏感程度要比在智能手機中使用的運動感測器高一百萬倍。一旦這項技術成熟，那麼大面積的重力場圖像繪製也就將成為可能。
MEMS感測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Wee-g檢測器，可以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——或有助於雪崩與地震災害中的救援行動。
冷原子感測器將具有最高的精度，性價比水平也是無出其右，目前尚未有更尖端的技術可以超過它。目前伯明翰大學正在研發RSK和e2v冷原子感測器，將用於日常重力測量。例如幫助建築行業確定地下的詳細狀況，減少由於意外危險造成的工程延誤，並擺脫對昂貴的勘探挖掘的依賴。
在太空中，冷原子感測器則可以通過檢測引力波及驗證愛因斯坦的理論來實現新的科學突破。當然了，常規性地球遙感觀測也可以通過精確重力測量來實現，監測的范包括地下水儲量、冰川及冰蓋的變化。
在格拉斯哥大學，研究人員的也在創造一種新的變革性的太空技術，即使用MEMS感測器對航天器的高度進行精細控制，這將有助於增強英國小衛星技術在全世界範圍內的競爭力。
6、醫療健康
痴呆病：根據阿爾茨海默病協會估計，全世界每年因痴呆病而造成的經濟損失約有5000億英鎊，這一數字還在不斷增加。而當前基於患者問卷的診斷形式通常會使治療手段的選擇可能性被嚴重限制，只有做好早期的診斷和干預才可以有更好的效果。
研究人員正在研究一種稱為腦磁圖描記術（MEG）的技術可用於早期診斷。但問題是該技術目前需要磁屏蔽室和液氦冷卻操作，這使得技術推廣變得異常昂貴。而量子磁力儀則可以很好地彌補這方面的缺陷，它靈敏度更高、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，而量子感測器則有助於提高這種技術的靈敏度與顯示解析度。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，基於金剛石的量子感測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。
心臟疾病：心律失常通常被看作是發達國家的第一致死殺手，而該病症的病理特徵就是時快時慢的不規則心跳速度。目前正在開發中的磁感應斷層攝影技術被視作可以診斷纖維性顫動並研究其形成機制的工具，量子磁力儀的出現會大大提升這一技術的應用效果，在成像臨床應用、病患監測和手術規劃等方面都會大有益處。
量子感測器有著廣闊的應用前景 ,目前的量子感測器主要是高靈敏度的磁感測器 ,在深入研究已有量子感測器的基礎上 ,應該考慮結合激光的優越性 ,利用光電轉換原理 ,設計出以激光相干效應為基礎的量子感測器 。
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