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量子传感器:将来的一场革命?

发布:guangxuedaren阅读:1350时间:2019-8-22 20:06:05

新的测量设备利用了量子态的极端敏感性,但要使它们切实可行是一个挑战。
      许多专家说,世界正处在第二次量子革命的边缘。能量量子化通过晶体管和激光为人类带来了现代电子技术,但随着人类操纵单个原子和电子的能力迅速发展,可能会改变通讯、能源、医药和**等行业。这在英国和欧盟为了将寻求将量子技术商业化引发了大资金的特殊项目,同时在美国最近颁布了国家量子计划(美国光学学会是其中创始合伙人),并且中国和其他国家将花费数十亿美元在未来几年进行相关研究。
       许多从事量子传感器研究的科学家都成立了公司来将他们的技术商业化,但很少有真正的产品上市。 在这类技术中,人们谈论最多的是量子计算机。理论上,量子计算机功能强大,可以在短短几分钟内破解互联网安全的底层代码。但是全尺寸量子计算机的问世可能还需要几十年的时间。相比之下,利用量子现象加密而非破解密码的设备正开始出现在市场上。
       然而,许多科学家相信量子将在传感领域获得第一次真正的商业成功。这是因为传感可以利用量子计算机的一个特性:量子态对环境异常敏感,而这正是制造量子计算机如此困难的原因。 无论它们是对被埋物体的引力做出反应,还是接收人类大脑的磁场,量子传感器都能探测到来自周围世界的各种微弱信号。英国伯明翰大学的物理学家Kai Bongs说他认为,特别是重力测量量子传感器,“将很快得到更广泛的应用”,其潜在市场可能达到每年10亿美元。
       然而,除了某些瞄准机会的市场外,量子传感器的竞争力还有待观察。它们通常比它们的经典对手体积更大、更复杂——正如巴黎SYRTE计量实验室的Franck Pereira Dos Santos指出的那样,多年来它们从巨额投资中受益。他认为,量子技术有时会被那些缺乏制造传感器实际经验的人夸大。他表示:“有时一些强有力的主张是不现实的。”
量子的意义
        虽然冷原子和金刚石氮空位(NV)传感器依赖于叠加,但有些传感器是为了利用另一种奇怪的量子现象——纠缠而设计的。其中一项技术就是量子雷达。根据物理学家Seth Lloyd的理论方案,这个过程包括将一系列纠缠光子对中的一半从一个物体上弹回来,然后将返回的光子与被阻挡的光子进行比较。这样做的目的是将最初发出的辐射与强噪声源区分开来,发现隐形飞机等普通雷达无法探测到的物体,并将雷达操作员隐藏起来。
       加拿大滑铁卢大学的Jonathan Baugh正在开发一种近红外设备,可根据需要产生一对纠缠光子。虽然这将需要一个额外的设备来将输出转换成微波频率,但它最终可能只需要量子统计而不是纠缠本身。“如果你总是几乎同时产生两个光子,你可以利用时间相关性。”他说。
       这就涉及到一个哲学问题:一项技术何时才能认为是“量子”的?英国格拉斯哥大学光学物理学家,OSA的研究员Miles Padgett严格地认为,这个定义应该包括纠缠。事实上,他研究了一种被称为“鬼影成像”的技术,这种技术最初被认为依赖于纠缠光子。在这个方案中,使用光学相机对通过晶体发送的紫外激光束产生的可见光-红外光子对进行分裂,从而成像被红外光照亮的物体。结果他说,光子只需要在空间上相互关联,而不需要纠缠。但他认为,这项技术仍应被视为量子技术,因为它依赖于检测单个光子。他说:“从一个更一般的技术专家的角度来看,只要你开始测量单个光子或单个原子,我们就在谈论量子技术。”
       美国国家标准与技术研究所(NIST)的一个研究小组的负责人Jay Hendricks也持同样的观点。NIST已经研制出一种压力传感器,可以有效地对盒子里的颗粒进行计数。该装置通过测量激光束穿过氦气腔和真空腔时产生的拍频来比较真空腔和氦气腔的压力。气体中激光频率的微小变化,以保持共振驻波反映了压力的微小变化(因为压力改变折射率)。他说:“这是向真正的量子后退了一步,但其基础是可以量化的原则。”
       Hendricks说,加上氦折射率的第一原理计算,这种被称为定长光学腔的装置可以作为压力标准,取代笨重的水银压力计。他补充说,它还可能用于校准半导体铸造厂的压力传感器,或作为非常精确的飞机高度计。他们与马萨诸塞州安多弗市的MKS仪器公司进行了合作,目前他的团队已经将空腔的长度缩减到2.5厘米,并将辅助设备压缩到几个手提箱大小的盒子里——尽管他不能说什么时候会出现完全可以商用的设备。
        再说回格拉斯哥大学,一群物理学家正在使用量子技术来增强一种名为“We-g”的重力仪,尽管这种传感器本身与冷原子无关。微电子机械系统(MEMS)装置由一个12毫米长的硅片组成,由四个极薄的弹簧悬挂。据研究小组成员Richard Middlemiss说,该仪器的灵敏度“在现有重力仪的数量级”之内。他说,这种晶圆也很轻(或许适合无人机探测),一旦批量生产,成本可能不会超过1000英镑(约1300美元)。
        Middlemiss认为,在意大利埃特纳火山部署了大约30到40个监测岩浆运动的装置后,这种传感器可能在大约一年内投放市场。他说,该版本的设备将使用电容来跟踪微小的测试质量,但后期的版本可能会使用一种被称为光压缩的激光技术,以克服镜头噪音,可能将We-g的灵敏度提高到109分之一。Padgett承认,最明显的量子技术可能不会获得最早的商业成功。但他说,英国的技术项目旨在造福社会,而不是突破基础物理的界限。但最终,正是这种渴望吸引了工业基础。哈佛大学的Ronald Walsworth也强调了这一点。他敦促他的科学家同行们思考潜在用户真正想要的是什么,而不是仅仅把他们的技术看作是把每个问题都变成“钉子”的“锤子”。他说:“你必须在两边都搭一座桥。”

图:We-g是一种基于MEMS的重力仪,它比传统的重力传感器轻得多,而且可能比传统的重力传感器便宜得多。

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