高灵敏度的量子传感器性能分析

量子理论的创立是 20 世纪最辉煌的成就之一 ，它揭示了微观领域物质的结构 、性质和运动规律，把人们的视角从宏观领域引入到微观系统 。一系列区别于经典系统的现象 ，如量子纠缠 、量子相干 、不确定性等被发现 。同时 ,量子理论和量子方法还被应用到化学反应 、基因工程 、原子物理 、量子信息等领域 。

近年来量子信息学的发展，使得对微观对象量子态的操纵和控制变得越来越重要 。用量子控制的理论和方法来解决量子态的控制问题从而产生了量子控制论 。

量子控制论是以研究微观世界系统量子态的控制问题的学科，量子传感器即可用于解决量子控制中的检测问题 。

量子传感器的概念与现状

在经典控制中 ,测量过程由各种测量仪表完成 ,其中的变换过程一般由相应的测量传感器完成 。测量仪表可以由若干个传感器以合适的方式联接而成 ,共同完成变换 、选择 、比较和显示功能 。与经典控制中一样 ,量子控制中测量的关键也是被测量和标准量的比较 。而量子控制中的可观测量与量子力学中的相应自共轭算符对应 ,量子系统状态的直接测量一般不易实现 ,需要把被测量按一定的规律转变为便于测量的物理量 ,进而实现量子态的间接测量 。这一过程可以通过量子传感器完成 。

所谓量子传感器，可以从两方面加以定义：

(1) 利用量子效应 、根据相应量子算法设计的 、用于执行变换功能的物理装置 ; 

(2) 为了满足对被测量进行变换 ,某些部分细微到必须考虑其量子效应的变换元件 。

不管从哪个方面定义 ,量子传感器都必须遵循量子力学规律 。可以说 ,量子传感器就是根据量子力学规律 、利用量子效应设计的 、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置 。

与蓬勃发展的生物传感器一样,量子传感器应由产生信号的敏感元件和处理信号的辅助仪器两部分组成 ,其中敏感元件是传感器的核心 ,它利用的是量子效应 。

随着量子控制研究的深入 ,对敏感元件的要求将越来越高 ,传感器自身的发展也有向微型化 、量子型发展的趋势,量子效应将不可避免的在传感器中扮演重要角色 ,各种量子传感器将在量子控制 、状态检测等方面得到广泛应用 。

量子传感器的性能分析

传感器的性能品质主要从准确度 、稳定性和灵敏度等方面加以评价 。结合量子传感器的自身特点 ,可以从以下几个方面来考虑量子传感器的性能 :

(1) 非破坏性 :

在量子控制中 ,由于测量可能会引起被测系统波函数约化 ,同时 ,传感器也可能引起系统状态变化 ,因此 ,在测量中 ,要充分考虑量子传感器与系统的相互作用 。因为量子控制中的状态检测与经典控制中的状态检测存在本质上的不同 ,测量可能引起的状态波函数约化过程暗示了对状态的测量已经破坏了状态本身 ,因此 ,非破坏性是量子传感器应重点考虑的方面之一 。在进行实际检测时 ,可以考虑将量子传感器作为系统的一部分加以考虑 ,或者作为系统的扰动 ,将传感器与被测对象相互作用的哈密顿考虑在整个系统状态的演化之中 ;

(2) 实时性 :

根据量子控制中测量的特点 ,特别是状态演化的快速性 ,使得实时性成为量子传感器品质评价的重要指标 。实时性要求量子传感器的测量结果能够较好的与被测对象的当前状态相吻合 ,必要时能够对被测对象量子态演化进行跟踪 ,在设计量子传感器时 ,要考虑如何解决测量滞后问题 ;

(3) 灵敏性 :

由于量子传感器的主要功能是实现对微观对象被测量的变换 ,要求对象微小的变化也能够被捕捉 ,因此 ,在设计量子传感器时 ,要考虑其灵敏度能够满足实际要求 ;

(4) 稳定性 :

在量子控制中 ,被控对象的状态易受环境影响 ,量子传感器在探测对象量子态时也可能引起对象或传感器本身状态的不稳定 ,解决的办法是引入环境工程的思想 ,考虑用冷却阱 、低温保持器等方法加以保护 ;

(5) 多功能性 :

量子系统本身就是一个复杂系统 ,各子系统之间或传感器与系统之间都易发生相互作用 ,实际应用时总是期望减少人为影响和多步测量带来的滞后问题 ,因此 ,可以将较多的功能 ,如采样 、处理 、测量等集成在同一量子传感器上 ,并将合适的智能控制算法融入其中 ,设计出智能型的 、多功能量子传感器 。

量子传感器具有许多经典传感器所不具有的性质 ,设计量子传感器时 ,在重点考虑将量子领域不可直接测量量变换成可测量量外 ,还应从非破坏性 、实时性 、灵敏性 、稳定性 、多功能性等方面对量子传感器的性能加以评估 。

量子传感器的市场应用

以英国为例，在传感器及相关设备领域的从业者已经超过73000人，对经济的年均贡献也，所以整合全产业链的重要性也就不言自明了。超过140亿英镑。单单是一个传感器数据服务所衍生出来的价值就已经是天文数字了

然而，有关量子传感器的想象力还不止于此：量子磁性传感器的发展将大幅降低磁脑成像的成本，有助于该项技术的推广；而用于测量重力的量子传感器将有望改变人们对传统地下勘测工作繁杂耗时的印象；即便在导航领域，往往导航卫星搜索不到的地区，就是量子传感器所提供的惯性导航的用武之地。

1、土木工程

地下勘测通常是极其昂贵和耗时的，但在建造新的基础设施时又是必要的，尤其是像高速铁路、核电站这种大型项目在开建之前。实际上有很多地质构造未探明的地下环境都存在诸如下水道、矿井和沉坑之类的危险。

信息不足的代价往往是十分高昂的，工程延迟、超支和重新规划都是家常便饭。英国进行基础设施维护的方法就是每年花费50亿英镑在道路上挖400万个洞，之所以这么做竟然是因为人们不清楚地下设施的具体位置。

而在人们的普遍印象中，任何检查都应该是在地面上进行的，而不需要挖掘坑洞。可现有的雷达、电子检测仪和磁力仪的性能并不能达到理想效果，超过地下几米的物体就很难被探测到了。

遇到这种情况，通常的解决方案就是使用重力感测技术，因为地下埋藏的任何物体的重力发生细微的变化都可以被记录下来并绘制成重力图。但传统重力仪的问题是读数不准确、耗时长且易于受到地面振动的影响。

但如果用量子传感器来进行重力测量就会有明显的优势：速度更快、读数更精确、探测的更深且不受地面振动的影响。这一技术的广泛应用势必会对土木工程行业起到极大的推动作用。

2、自然危害预防

在英国有超过500万的家庭所处的位置都面临坍塌和沉降的风险; 英国铁路部门也需要对铁轨周边的积水情况进行实时监控，以防止山体滑坡灾害的出现。而量子传感器就可以很好地在重力图上标记处哪里会有坍塌的风险、哪里的积水过多。

此外，量子光子传感器还可以快捷地识别地表下诸如油料泄漏之类的危害。这一切都基于量子传感器快速扫描的特点，而这也使得常态化的检查成为了可能。

3、资源勘探

获取石油和天然气等自然资源的重点在于开采地点的确定，这在美国是一个价值30亿美元的庞大市场。目前主流的勘探形式为地震探测，效果更佳，但更昂贵的重力测量方式只有在人们了解较少的地方才被采用。

但实际上，重力测量高昂成本的很大部分都来自于调整设备，而如今量子增强型MEMS传感器的出现就减少了设备调整的操作，使整个测量工作可以更快推进，连成本也降到了之前的十分之一。

4、交通运输和导航

交通运输越发展就越需要了解各种交通工具的准确位置信息及状况，这也就对汽车、火车和飞机所携带的传感器数量提出了要求，卫星导航设备、雷达传感器、超声波传感器、光学传感器等都将逐渐成为标配。

然而有了这些还远远不够，传感器技术的发展也将面对新的挑战。自动驾驶汽车和火车的定位及导航精度被严格要求在10厘米以内; 下一代驾驶辅助系统必须可以随时监测到当地厘米级的危险路况。使用基于冷原子的量子传感器，导航系统不但可以将位置信息精确到厘米，还必须具备在诸如水下、地下和建筑群中等导航卫星触及不到的地方工作的能力。

与此同时，其他类型的量子传感器也在不断发展之中（例如工作在太赫兹波段的传感器），它们可以将道路评估的精度精确到毫米级。此外，最初为原子钟而开发的基于激光的微波源也可以提升机场雷达系统的工作范围和工作精度。

5、重力测量

光线测量并不适用于所有的成像工作，作为新的替代补充手段，重力测量可以很好的反映出某一地方的细微变化，例如难以接近的老矿井、坑洞和深埋地下的水气管。用此方法，油矿勘探和水位监测也会变得异常容易。

利用量子冷原子所开发的新型引力传感器和量子增强型MEMS（微电子机械系统）技术要比以前的设备有更高的性能，在商业上也会有更重要的应用。

而低成本MEMS装置也在构想之中，预计它将会只有网球大小，敏感程度要比在智能手机中使用的运动传感器高一百万倍。一旦这项技术成熟，那么大面积的重力场图像绘制也就将成为可能。

MEMS传感器在量子成像读出上至少有几个量级幅度上的进步。来自格拉斯哥大学和桥港大学的研究人员开发了一种Wee-g检测器，可以利用量子光源来改善设备精度，即便是更小的物体也可以被检测到——或有助于雪崩与地震灾害中的救援行动。

冷原子传感器将具有最高的精度，性价比水平也是无出其右，目前尚未有更尖端的技术可以超过它。目前伯明翰大学正在研发RSK和e2v冷原子传感器，将用于日常重力测量。例如帮助建筑行业确定地下的详细状况，减少由于意外危险造成的工程延误，并摆脱对昂贵的勘探挖掘的依赖。

在太空中，冷原子传感器则可以通过检测引力波及验证爱因斯坦的理论来实现新的科学突破。当然了，常规性地球遥感观测也可以通过精确重力测量来实现，监测的范包括地下水储量、冰川及冰盖的变化。

在格拉斯哥大学，研究人员的也在创造一种新的变革性的太空技术，即使用MEMS传感器对航天器的高度进行精细控制，这将有助于增强英国小卫星技术在全世界范围内的竞争力。

6、医疗健康

痴呆病：根据阿尔茨海默病协会估计，全世界每年因痴呆病而造成的经济损失约有5000亿英镑，这一数字还在不断增加。而当前基于患者问卷的诊断形式通常会使治疗手段的选择可能性被严重限制，只有做好早期的诊断和干预才可以有更好的效果。

研究人员正在研究一种称为脑磁图描记术（MEG）的技术可用于早期诊断。但问题是该技术目前需要磁屏蔽室和液氦冷却操作，这使得技术推广变得异常昂贵。而量子磁力仪则可以很好地弥补这方面的缺陷，它灵敏度更高、几乎不需要冷却和与屏蔽，更关键的是它的成本更低。

癌症：一种名为微波断层成像的技术已应用于乳腺癌的早期检测多年，而量子传感器则有助于提高这种技术的灵敏度与显示分辨率。与传统的X光不同，微波成像不会将乳房直接暴露于电离辐射之下。

此外，基于金刚石的量子传感器也使得在原子层级上研究活体细胞内的温度和磁场成为了可能，这为医学研究提供了新的工具。

心脏疾病：心律失常通常被看作是发达国家的第一致死杀手，而该病症的病理特征就是时快时慢的不规则心跳速度。目前正在开发中的磁感应断层摄影技术被视作可以诊断纤维性颤动并研究其形成机制的工具，量子磁力仪的出现会大大提升这一技术的应用效果，在成像临床应用、病患监测和手术规划等方面都会大有益处。

量子传感器有着广阔的应用前景 ,目前的量子传感器主要是高灵敏度的磁传感器 ,在深入研究已有量子传感器的基础上 ,应该考虑结合激光的优越性 ,利用光电转换原理 ,设计出以激光相干效应为基础的量子传感器 。

编辑：黄飞