量子传感器将开启一场技术革命？
2023-05-28 10:21:24 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
量子传感器利用原子和光子的基本特性来测量世界。粒子的量子态对环境极为敏感，这对传感来说是个优点，但对于制造量子计算机来说则是个问题。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传统设备更精确地量化加速度、磁场、旋转、重力和时间的流逝。
从地下勘探到脑科学和空中交通控制，量子传感器潜力是巨大的。但它们首先必须“走出”实验室。
美国陆军于2020年开发的一种可以探测整个无线电频谱通信信号的量子传感器（来源：美国陆军）
据麦姆斯咨询报道，近日，德国航空航天中心（DLR）量子技术研究所所长Kai Bongs、英国量子传感和计时技术中心主任Simon Bennett、伦敦物理研究所量子商业创新和增长小组主席Anke Lohmann在Nature期刊上发表了题为“Quantum sensors will start a revolution — if we deploy them right”的文章，描述了量子传感器商业化的五个优先事项，以使其更快地走出实验室。
量子传感器利用原子和光子的基本特性来测量世界。粒子的量子态对环境极为敏感，这对传感来说是个优点，但对于制造量子计算机来说则是个问题。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传统设备更精确地量化加速度、磁场、旋转、重力和时间的流逝。它们可以被用来制造更小、更精确的原子钟、透过烟雾或绕过拐角观察的相机、用于绘制地下结构图的装置，以及许多其它潜在的应用。量子传感器将变革从能源、土地使用和运输到医疗保健、金融和安全等众多应用领域，但是其商业前景需要得到更多的重视。
在科研实验室中开发量子传感器的研究人员渴望让政府和产业界更多地意识到其可能带来的好处——尤其是在改善依赖于传感器的国家关键基础设施的安全性方面，例如空中交通控制系统和供水设施等。然而，研究人员在获得关注和资金以使量子传感器应用于现实世界时，却面临着不少障碍。
一个挑战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。
另一个因素是许多人——包括商业领袖——认为量子技术将应用于未来的设备，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。其中少数已经投入商业用途：例如，原子钟利用原子中的高频量子跃迁极其精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发展到为智能手机和汽车提供导航，还是用了20年的时间。现在，量子研究群体需要建立类似的途径来实现其它类型量子传感器的商业效益。
以下将依次强调量子传感器商业化的五个优先事项，以使其更快地被采用。
使量子传感器更稳定可靠
产业界的创新者很少会因为仅仅证明了一个概念的实验室结果而兴奋。他们想知道一款设备能否在特定的应用中可靠地工作，并且有利于他们企业的财务状况。研究人员需要确保任何进入市场的传感器都是稳定且可靠的，可以重复制造且具有成本效益，并与其它正在使用的系统兼容。在实践中，这可能意味着需要从许多方面重新设计该技术。而每一次调整都会带来新的挑战。
基于金刚石的可测量原子尺度磁场的量子传感器（来源：David Kelly Crow/de Leon实验室/普林斯顿大学）
找到需要量子传感器的应用
研究人员需要与商业领袖沟通，以确定量子传感器如何在一系列的应用中增加价值。例如，重力传感器的用途并不明显；很少有人从重力或物质密度的角度来使周围的环境可视化。但在与100多家公司讨论后，研究人员得出结论，重力传感器将非常适合用于揭示地下的未知事物，从被遗忘的矿井位置到地下水位，再到土壤和岩浆流中的碳分布等等。原则上，这些都可以通过传统的重力仪观测到，但地面振动使得测量时间过长，通常一个数据点需要5-10分钟。有了量子重力梯度仪，这种数据可以在几秒钟内收集，为重力测绘开辟了新可能。而这正是研究人员迄今为止所关注的。
一种锶离子响应激光而振荡的光学时钟（来源：Andrew Brookes，国家物理实验室/ Science Photo Library）
将量子传感器集成到当前系统中
任何传感器都必须集成到一个更大的系统中才能实现其价值。例如，惯性传感器——一种检测运动的传感器——本身是相对无用的。但当它与智能手机中的电子器件、软件和显示屏集成时，它可以提供用户的步数和消耗的卡路里等健康信息。
同样，量子加速度计和旋转、重力和磁场的传感器可以被组合成海底和地下使用的定位、导航和计时系统。在这一应用中，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等全球卫星系统的情况下即可实现米级精度的导航。这种能力将有助于勘探海底资源，以及保护和维护海上风力发电场和石油钻井平台的管道、电缆和基础。
虽然学术研究人员可以开发出具有合适性能的量子传感器，但产业界需要引领这一系统集成阶段。现有的学术资金流太小，无法支持这种合作研究。为了实现这一目标，需要与产业界签订大量的长期研究和开发合同。例如，21世纪初，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency）通过一个涉及学术界和产业界的专门开发计划，为在十年内制造出芯片级原子钟提供了帮助。
建立数据需求
来自传感器的原始数据需要转换成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到与大脑神经活动模式相关的微小磁场，但是大脑活动的3D可视化需要这样的传感器阵列，以及算法和图形化表示，以医生可以理解的方式展示它们。
德国Q.ANT公司的一名研究人员正在检测用于工业用途的量子传感器（来源：Sebastian Gollnow/dpa via Alamy）
合作创新
尽管许多国家已经开始协同努力发展基础水平的量子技术，但在采用和利用方面仍然是分散的。由于许多研究团队各自独立工作，解决上面列出的研究挑战需要数十年的时间。为了加快速度，需要一个协调量子传感器研究项目的策略。
德国、日本、荷兰、英国和美国在内的一些国家已经建立了研究中心和大型项目，通过集聚专业知识和提供与产业界及其他合作伙伴互动的门户，来协调学术界和国家对量子技术的需求。然而，总的来说，传感器在国家量子技术计划中并没有得到应有的关注，只有少数例外，比如德国Baden Württemberg州的QuantumBW计划，该计划明确关注量子传感。
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。
政府还需要采取举措，让从组件制造商到系统集成商的公司与学术界一起帮助寻找量子传感商业解决方案，而不是简单地提出技术，然后迅速扩大生产规模，以期获得市场。
总之，迫切需要一种长期的、由产业界主导的方案来推动量子传感器创新。量子传感器的物理原理可以实现出色的性能，但问题是：谁将引领世界让这些优势落地？
论文信息：https://doi.org/10.1038/d41586-023-01663-0
延伸阅读：
上一篇：综述：光学测量技术趋势
下一篇：最后一页