量子傳感器有望實現(xiàn)比當(dāng)下MEMS傳感器精確近1000倍的測量，當(dāng)下關(guān)于量子傳感器的研究如火如荼。博世在今年年初宣布成立全新初創(chuàng)團(tuán)隊，旨在將量子傳感器商品化。工業(yè)傳感器廠商SICK與合作伙伴共同開發(fā)了工業(yè)量子傳感器，以期實現(xiàn)更多工業(yè)應(yīng)用?？此聘呱钅獪y的量子技術(shù)已走進(jìn)人們的日常生活。
1、全球多國明確強(qiáng)調(diào)發(fā)展量子傳感器
量子技術(shù)是近些年發(fā)展火熱的前沿技術(shù)領(lǐng)域，國內(nèi)外都很關(guān)注這一技術(shù)的發(fā)展。除了量子計算、量子通信這些廣為人知的方向，量子傳感器的研究也逐漸展開。
什么是量子傳感器？
量子傳感器是根據(jù)量子力學(xué)規(guī)律、利用量子效應(yīng)設(shè)計的傳感器。在量子傳感中，電磁場、溫度、壓力等外界環(huán)境直接與電子、光子等體系發(fā)生相互作用并改變他們的量子狀態(tài)，通過對這些變化后的量子態(tài)進(jìn)行測量便可以實現(xiàn)對外界環(huán)境的高靈敏度測量。與傳統(tǒng)傳感器相比，量子傳感器具有非破壞性、實時性、高靈敏性、穩(wěn)定性和多功能性的優(yōu)勢。
世界各地支持量子技術(shù)研發(fā)的戰(zhàn)略激增，各國都希望在新一輪量子革命競賽中占據(jù)一席之地。
美國發(fā)布了量子傳感器國家戰(zhàn)略，美國國家科學(xué)和技術(shù)委員會(NSTC)量子信息科學(xué)小組委員會(SCQIS)近期發(fā)布了名為《將量子傳感器付諸實踐》的報告。其中提出一些建議，例如，領(lǐng)導(dǎo)量子信息科學(xué)與技術(shù)(QIST)研發(fā)的機(jī)構(gòu)應(yīng)該加快開發(fā)新的量子傳感方法，優(yōu)先考慮與最終用戶建立適當(dāng)?shù)幕锇殛P(guān)系，以提高新量子傳感器的技術(shù)成熟度；使用傳感器的機(jī)構(gòu)應(yīng)該進(jìn)行可行性研究，并與QIST研發(fā)領(lǐng)導(dǎo)人共同測試量子原型系統(tǒng)，以確定有前途的技術(shù)，并專注于解決其機(jī)構(gòu)任務(wù)的量子傳感器等。希望在近中期，即未來1-8年，根據(jù)這些建議采取行動將加速實現(xiàn)量子傳感器所需的關(guān)鍵發(fā)展。
2021年，歐洲核子研究中心（CERN）發(fā)布《量子技術(shù)戰(zhàn)略和路線圖》，探討量子技術(shù)如何在量子計算、量子傳感器等領(lǐng)域發(fā)揮作用。其中提到，CERN將與學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)合作伙伴密切合作，利用其在獨特領(lǐng)域的知識和技術(shù)，如應(yīng)用量子算法、量子態(tài)傳感器等，進(jìn)一步開發(fā)此類技術(shù)，實現(xiàn)從研究到產(chǎn)業(yè)的有效知識轉(zhuǎn)移。
量子傳感路線圖包括以下目標(biāo)：
注：資料來源于《光子盒》
中國的量子傳感器研究也很活躍，2018年，中科大研制新型量子傳感器，該成果已發(fā)表在著名期刊《自然·通訊》上。2022年，國務(wù)院發(fā)布《計量發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，提出要“重點開展量子精密測量和傳感器件制備集成技術(shù)、量子傳感測量技術(shù)研究”。
2、將量子傳感器付諸實踐，這些應(yīng)用值得關(guān)注
2021年，全球范圍內(nèi)對量子技術(shù)的投資已達(dá)220億美元。根據(jù)麥肯錫公司的預(yù)測，量子傳感器的市場將達(dá)70億美元。量子傳感器在眾多應(yīng)用領(lǐng)域也表現(xiàn)出了無可比擬的優(yōu)勢。
賦能醫(yī)療診斷
量子傳感器可以更精準(zhǔn)、更簡單地協(xié)助診斷神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如阿爾茨海默癥和帕金森癥。
阿爾茨海默病俗稱「老年性癡呆」，目前全球每3秒就新增一例癡呆患者。研究表明，對阿爾茨海默病干預(yù)時間太晚可能是治療失敗的關(guān)鍵原因。因此，早期診斷、及時干預(yù)是目前唯一有效延緩疾病進(jìn)展的措施。
影像檢查是輔助阿爾茨海默病診斷的重要手段，例如腦電圖(EEG)或功能磁共振成像(fMRI)掃描儀。量子傳感器被認(rèn)為比腦電圖或功能磁共振成像掃描儀更精確，部分原因是這些傳感器可以更接近頭骨。傳感器離大腦越近，不僅可以提高空間分辨率，還可以提高結(jié)果的時間分辨率。因此，量子腦傳感器可能成為腦電圖(EEG)和功能磁共振成像(fMRI)掃描儀更高效、更準(zhǔn)確的替代方案，對于阿爾茨海默癥檢測具有重要意義。
助力自動駕駛行業(yè)
博世已經(jīng)研發(fā)出了量子陀螺儀，其作用與普通的陀螺儀類似，都是感知位置的變化，但是精度卻能提升高達(dá)100倍！
博世新成立初創(chuàng)團(tuán)隊負(fù)責(zé)量子傳感技術(shù)，圖片來源于博世官方
對于自動駕駛來說，需要眾多傳感器對周圍物體進(jìn)行探測感知，還需要解決高精定位的問題。高精定位包含相對定位和絕對定位兩層含義，相對定位指的是車與周圍環(huán)境之間的相對位置，絕對定位指的是車本身的經(jīng)緯度。
GPS可以為車輛提供精度為米級的絕對定位，相對定位就需要IMU來實現(xiàn)，IMU通常由陀螺儀、加速度計和算法處理單元組成。IMU通常與GPS聯(lián)合使用，尤其當(dāng)汽車處于城市樓宇、商場等GPS信號容易缺失的環(huán)境中，IMU可以發(fā)揮輔助作用。IMU被認(rèn)為是自動駕駛系統(tǒng)在定位領(lǐng)域的最后一道防線，因此，高精度的陀螺儀對于保證自動駕駛安全具有重要意義。
用于土木工程中的地下勘測
大樓、鐵路、核電站等大型項目在開始建造之前，都需要探測地下環(huán)境，以檢查是否會出現(xiàn)下水道、礦井等之類的危險。現(xiàn)有的雷達(dá)、電子檢測儀和磁力儀等，對于超過地下幾米的物體有時候就很難探測到了。遇到這種情況，通常的解決方案就是使用重力感測技術(shù)，因為地下埋藏的任何物體的重力發(fā)生細(xì)微的變化都可以被記錄下來并繪制成重力圖。
傳統(tǒng)重力儀的問題是讀數(shù)不準(zhǔn)確、耗時長且易于受到地面振動的影響。但如果用量子傳感器來進(jìn)行重力測量就會有明顯的優(yōu)勢：速度更快、讀數(shù)更精確、探測的更深且不受地面振動的影響。
除了以上提到的領(lǐng)域，隨著量子研究的發(fā)展，量子傳感器在航空、氣候、建筑、國防、能源、醫(yī)療保健、安全、運輸?shù)阮I(lǐng)域也有廣闊的發(fā)展空間。
注：資料來源于Science科學(xué)
