北京
量子傳感技術(shù)的進(jìn)步表明，它們可能先于量子計(jì)算機(jī)成為主流。
盡管全世界都在關(guān)注量子計(jì)算的下一次發(fā)展，但真正掀起巨浪的卻是量子傳感器——它們已能測量以往根本無法探測的場和力。
從腦波到引力波，量子傳感器已成功探測到這兩者，如今正準(zhǔn)備走出實(shí)驗(yàn)室，投入實(shí)際運(yùn)行。
量子傳感器如何工作？
普通物理傳感器通常使用彈簧、線圈甚至計(jì)算機(jī)芯片等設(shè)計(jì)部件，將某個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字。因此，無論是測量溫度、壓力、光還是磁場，傳感器都能在有限區(qū)域內(nèi)給出其存在程度的度量。
量子傳感器的工作原理與此類似，但它不使用設(shè)計(jì)部件，而是利用原子、電子自旋或超導(dǎo)量子比特來測量物理量。大多數(shù)量子傳感器都遵循一個(gè)三步循環(huán)：首先制備一個(gè)已知的量子態(tài)，然后讓待測物理參數(shù)改變?cè)摿孔討B(tài)，第三步再測量這一變化。
根據(jù)傳感器使用的是原子、電子還是量子比特，其初始量子態(tài)分別可以是已知的能級(jí)、電子自旋或電流環(huán)路。
與物理傳感器因溫度或長時(shí)間使用而導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)不同，量子測量由于所用材料的一致性而均勻得多，并且對(duì)被測參數(shù)的極細(xì)微推動(dòng)也十分敏感。
量子傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域
現(xiàn)代醫(yī)學(xué)可利用腦活動(dòng)產(chǎn)生的磁場對(duì)大腦進(jìn)行成像。通常，這種成像使用的傳感器能夠探測飛特斯拉（femtotesla）或皮特斯拉（picotesla）量級(jí)的磁場，其強(qiáng)度甚至弱于冰箱貼。這需要通過對(duì)傳感器進(jìn)行磁屏蔽來實(shí)現(xiàn)。
然而，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）開發(fā)的一種新型原子級(jí)磁力儀不僅可在室溫下工作，還能測量來自心臟的磁場。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，NIST的研究人員甚至用這種原子級(jí)設(shè)備測量了胎兒心臟的相關(guān)數(shù)據(jù)。
我們今天所知的世界嚴(yán)重依賴GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航。從國際旅行到本地外賣配送，GPS無處不在。GPS信號(hào)失效或被屏蔽所帶來的影響日益增大，科學(xué)家希望用加速度計(jì)和陀螺儀作為備用方案。
盡管這些傳感器如今甚至已出現(xiàn)在我們的智能手機(jī)中，但它們?nèi)菀桩a(chǎn)生誤差，且誤差會(huì)隨時(shí)間不斷累積。解決這個(gè)問題的方法是原子干涉儀，其中利用激光冷卻的原子云有助于減少這些誤差
雖然該技術(shù)仍在開發(fā)中，但英國和歐洲已將其納入韌性計(jì)劃，以應(yīng)對(duì)GPS不可用的局面。
盡管量子傳感器的應(yīng)用日益增多，但量子態(tài)十分脆弱，容易受到干擾。例如，量子噪聲會(huì)影響激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）探測引力波時(shí)的性能。因此，科學(xué)家使用頻率依賴壓縮來降低量子噪聲。在其他傳感器中，則通過部署真空室、屏蔽裝置和其他激光來保持量子傳感器的穩(wěn)定。
目前的研究正致力于讓量子傳感器變得更小、更便宜，并且足夠堅(jiān)固，以便能在日常環(huán)境中直接部署，無需特殊保護(hù)。
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