评述：量子传感器正掀起一场商业革命

光子盒研究院出品

【资料图】

量子传感器利用原子和光的基本属性来对世界进行测量。粒子的量子状态对环境极为敏感，这对传感来说是一个优点、但对制造量子计算机来说则是一个问题。使用粒子作为探针的量子传感器可以比设计的或基于化学或电信号的经典设备更精确地量化加速度、磁场、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，可以看穿雾气和拐角的照相机，可以绘制地下结构图的装置，以及其他许多潜在的应用。甚至，它们将可以改变许多部门：从能源、土地使用和运输到医疗保健、金融和安全。

美国陆军在2020年开发的一个量子传感器，可以在整个无线电频谱上检测通信信号。

不过，它们的商业前景需要得到更多重视。

现存的一个挑战是，很难准确预测新兴技术将如何、以及在哪里被采用。物理学的历史充满了偶然性的发明。例如，X射线发生器是“观察电子束是否能穿过玻璃的实验”的意外副产品，但它们现在对医学和机场安全至关重要；激光器的发明者Theodore Maiman将这项技术描述为“寻求问题的解决方案”。

另一大挑战是，许多人（包括商业领袖）认为量子技术是未来的设备，而不是现在的。与量子计算机得到了大量媒体报道、距离广泛“商业优势”可能还有几十年时间的特点不同，量子传感器已经在实验室中使用。甚至，有几个已经投入商业使用：例如，原子钟利用原子中的高频量子转换(high-frequency quantum transition)，可以极其精确地测量时间的流逝；它们的精确性维持了通信、能源网络以及数字广播站的同步性。因此，它们对卫星导航服务（如GPS）至关重要。

即便如此，GPS接收器也花了20年的时间才从军队、（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。现在，量子界需要建立类似的途径，来实现其他类型量子传感器的商业利益。

在卫星上飞行的量子重力传感器和量子气体探测器可以收集关于地下水、二氧化碳和甲烷水平的准确数据，以改善气候建模。量子磁传感器可以对人们的大脑信号进行实时成像、量子重力仪可以监测地下水位和火山爆发。例如，追踪重力梯度、磁场和惯性力的量子传感器的组合比经典传感器精确1000倍，可以在卫星信号被干扰或无法到达的地方（如偏远地区、冲突地区或水下）实现可靠的导航。

那么，实现量子传感器商业化、使它们更快地被采用，又有哪些优先事项呢？

工业界的创新者很少为一个简单证明概念的实验室结果而兴奋；他们想知道的是，一个设备能否在特定应用中可靠地工作，并且将有利于企业的财务状况。研究人员需要确保任何进入市场的传感器都是强大和可靠的、能够以可重复性和成本效益的方式制造，并与其他正在使用中的系统兼容。在实践中，这可能意味着重新设计技术的许多方面；当然，每一次调整都会带来新的挑战。

例如，在位于伯明翰的英国量子技术中心传感器和计时实验室里，科学家已经开发出一种测量重力梯度的传感器：在相隔1米的两个房间里，激光器从蒸汽中捕获铷原子，并将其冷却到静止状态；更多的激光脉冲产生了量子态的叠加，并为每个“云”中的铷原子读出这些信号。软件将这些信号转换为重力梯度测量；通过使用单一的激光束来操纵原子，这种量子设备对振动噪音的敏感度比传统的重力仪要低1000倍，因此更容易部署。

一个基于金刚石的量子传感器可以在原子尺度上测量磁场。

第一次在实验室展示的版本有一辆小货车那么大、实验室的桌子上摆满了光学元件、电子系统及电源的架子。它由定制的部件建成的，并经过人工进行调整。如果要把这个装置带出实验室，通过当地重力的微小变化来感知地底隧道，意味着科学家需要使所有的部件更坚固、更小、更便宜，并提高其性能。

我们的物理学家和工程师必须找到在不同温度下控制激光束的方法、将其置于真空中以避免空气湍流，并对激光进行脉冲以减少杂散磁场的影响。目前正在进行的工作是在一个移动平台上操作该设备以方便部署、提高其灵敏度和带宽以加快测绘速度，并将其尺寸缩小到背包大小，以便将其安装在无人机上进行大面积测量。

一个有希望的小型化途径是在光子微芯片中集成量子传感器。这些传感器依赖于光（光子），而不是传统微芯片中使用的电子，并且速度快、能效高。在光纤网络中也有类似的技术。量子传感器可以利用光子芯片和现有的、用于汽车安全气囊中的微机电系统(MEMS)的制造工艺进行小型化。这样做的好处是，它们很坚固，可以比体积较大的光学系统能更好地应对振动。

挑战在于将所有的元素整合到一个系统中：包括激光器、调制器、波导和分光器，以及蒸汽电池等部件。科学家们需要对新材料、制造技术、设备包装以及测试和验证程序进行进一步研究和投资。作为低成本构件之一，量子传感器技术的标准化也是迫切需要的，这与光纤通信和MEMS传感器技术的进程相一致。

科研人员需要与商业领袖交谈，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；很少有人用重力或材料的密度来感知他们周围的环境。但在与100多家公司讨论后，我们（英国伯明翰大学的科学家）得出结论，重力传感器对于照亮地面上的未知数是非常好的：这包括被遗忘的矿井位置、地下水位、以及土壤和岩浆流中的碳分布。原则上，这些都可以通过经典的重力仪看到，但地面振动使得它们的测量过程长得不可行：通常一个数据点需要5-10分钟；有了量子重力梯度仪，这种数据就可以在几秒钟内收集，这为重力制图开辟了潜力。

——而这只是科学家们迄今为止关注的内容。

图示为一个光学时钟，其中锶离子在激光的照射下发生振荡。

当然，我们需要为应用研究和学术界、工业界之间的多学科合作提供资金，来验证这些想法。在一些案例中，下一步涉及使用这种重力仪的地球物理学研究，以提高对水如何在地下流动和积累的理解——这些信息可以用来完善洪水模型。

我们还需要进行土木工程研究，研究如何最好地利用这种传感器检测水管的泄漏；更广泛的技术和经济考虑将决定如何在水管理中最有效地使用这种方法。

公司应该开始考虑新的商业模式（例如向农民提供地下测绘服务），以帮助减少灌溉用水。参与试点项目将使企业处于一个良好的位置、利用市场干扰——而不是被市场干扰所困。

现在，任何传感器都必须插入到一个更大的系统中，以获得其好处。例如，一个惯性传感器（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、软件和显示器集成时，就可以提供用户的步数和卡路里消耗的健康信息。

同样，量子加速计和重力、磁场的传感器可以被组合成海底和地下使用的位置、导航和计时系统。在这一应用中，量子传感器提供了比经典传感器更少的偏差、更好的精度和更多的稳定性，可以在不使用全球卫星系统（如GPS）的情况下实现一米级的导航精度。这种能力将使海底资源勘探成为可能，以及确保和维护海上风电场和石油钻井平台的管道、电缆和地基。

然而，要将量子传感器集成到一个完整的导航系统中，仍然是一个巨大的挑战。例如，仅仅构建一个惯性测量单元就需要三个加速度计（每个空间维度一个）、三个旋转传感器（rotation sensor，每个旋转自由度一个），并以完美的直角排列、都与一个时钟相连。如果安装在车辆或潜艇上，这样的导航系统将需要补偿当地重力的微小变化和地球旋转引起的其他“力量”。整个系统需要进行校准，很难达到所需的高精度水平。

因此，将需要重力和磁力传感器，以便沿着飞行器的轨迹测绘这些“场”；还需要一个带有专业软件的计算机控制系统。将需要开发场读数的数据库，以便与记录的重力和磁力轨迹进行比较，从而实现绝对位置的固定，以处理不可避免的长期漂移。

研究人员还需要详细考虑如何将量子传感器系统与国家和国际基础设施网络联系起来。例如，通信网络可以通过下一代量子钟——“光钟”进行革新，它的精度可以比目前卫星导航系统提供的时间高1000倍。这可能会实现新的超高速宽带模式、将更多的数据包挤进信道带宽、用更少的能量来传输每一个数据。同样，能够检测氢气的量子传感器可以加速从天然气到氢气燃料的能源过渡，因为它们可以检测到泄漏并保护基础设施，以使这种潜在的高度爆炸性燃料安全地推广。

虽然学术研究人员可以开发具有正确属性的传感器，但工业界需要领导这个系统集成阶段：现有的学术资金流太小，无法支持这种合作研究。要实现这一点，就需要与工业界签订大量的长期研究和开发合同。例如，在2000年，美国国防部高级研究计划局提供的资金通过一个涉及学术界和工业界的专门开发计划，帮助科学家们在十年内开发了芯片级原子钟。

来自传感器的原始数据需要被转化为对特定任务有用的信息。例如，尽管一个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场，但大脑活动的三维可视化需要一个这样的传感器阵列、以及算法和图形表示，从而让医生可以以可解释的方式显示它们。

这种系统的开发正在进行中，并可能彻底改变对大脑状况的理解。实时绘图（例如每秒扫描100次）和分析大脑对视觉或感官刺激的反应，可能取代目前基于病人问卷的大脑疾病诊断技术；它还可以让医生在个人基础上评估药物对大脑疾病的疗效。

德国Q.ANT公司的一名研究人员正在检查准备用于工业的量子传感器。

同样，需要先进的分析技术来从重力测量中提取三维地下图像；只不过，确定被感应物体的深度仍然是一个挑战。由量子振荡器驱动的雷达库需要联网，以显示详细的图像、而不是雷达屏幕上的点（例如将无人机与飞越城市的鸟类进行分类和区分所需）。必须部署大数据技术来收集所有这些信息，以实现对城市中数以万计的送货无人机的监控等多项应用。

就时间和精力而言，最大的数据挑战也许是通过试验创建 “训练”数据集。研究人员需要进行大规模的医学试验来寻找大脑疾病的生物标志物、从重力计网络中收集数据以了解地下水和其他资产，并通过整个城市的传感器网络获取雷达数据。

科学家们也呼吁，政府可以资助更多此类计划。

尽管许多国家已经开始协调努力，发展基础的量子技术，但在采用和利用技术方面仍然存在着不同做法。由于许多团体在孤立地工作，解决前文所概述的研究挑战将需要数十年时间。为了加快进度，需要一个协调量子传感器研究项目的战略计划。

一些国家（包括德国、日本、荷兰、英国和美国），已经建立了中心和大型项目，通过捆绑专业知识和提供与工业界和其他合作伙伴互动的门户来协调学术和国家在量子技术方面的需求。然而，一般来说，传感器在国家量子技术倡议中没有得到应有的关注，只有少数例外：如德国巴登符腾堡州的QuantumBW倡议，它明确地关注量子传感。

各国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对国家关键基础设施的管理和安全。例如，2020年的一项总统令要求美国国家航空当局在2025年前实现独立于全球导航卫星系统的计时；这将确保空中交通管制系统继续工作、哪怕这些系统会因意外或敌对的干预而失效。现在确定其影响还为时过早，但该命令已经为与计时技术相关商业理念的出现设定了边界条件。

在通信、水资源管理和医学领域的类似方法可能会鼓励这些部门采用量子传感器，使其更具“弹性”——通过拥有独立的计时和导航或更详细的数据。

同时，还需要采取一些举措，让从组件制造商到系统集成商的公司，可以与学术界一起帮助寻找商业解决方案（而不是简单地提出技术），然后迅速扩大生产规模，希望能有一个市场。一个有希望的努力是英国的“国家量子传感器加速器(Accelerator)”项目。该项目于2022年启动，目前仍未获得全部资金，它涉及三个具有全球影响力的企业巨头（BAE系统公司、英国石油公司和英国电信），并致力于引入更多的公司。虽然其他国家的倡议针对一般的量子技术（如美国的QED-C），但英国的计划是独特的：因为它专注于传感器。

总而言之，我们迫切需要一个长期的、由行业主导的量子传感器创新方法。确实，量子传感器的物理学可以提供极高的性能，但问题是：谁将领导世界提供这些利益？

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