腦磁圖掃描

大腦中的電流產(chǎn)生磁場，傳感器可以分析這些磁場以的方式掃描大腦活動。現(xiàn)在，量子傳感器將使一個可穿戴的頭盔能夠以的性能和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行這種腦磁圖（MEG）掃描。

目前，MEG掃描是通過被稱為“超導(dǎo)量子干涉裝置"（SQUID）的傳感器進(jìn)行的。這些傳感器需要用昂貴的液氦冷卻到-269℃，這使得掃描儀變得極其龐大。相比之下，來自英國諾丁漢的初創(chuàng)公司Cerca Magnetics的新設(shè)備，每個都只有樂高積木那么大[2]。

Cerca的設(shè)備被稱為“光學(xué)泵浦磁力計(jì)"（OPM），其中包含一個激光器：它通過銣原子云向一個光探測器照射光束。具體原理是，該光束可以使銣原子的磁場全部排成一行，使銣原子云層基本透明；來自大腦活動的微小磁場可以干擾這些原子，使它們能夠吸收光探測器可以感知的光，而激光可以重置云，以便它可以繼續(xù)對磁干擾做出反應(yīng)。

這些量子傳感器在室溫下工作，使它們比SQUID體積小得多。Cerca公司主席、諾丁漢大學(xué)研究員Matthew Brookes表示，這意味著它們可以更靠近人的頭部，從而使信號至少好2-5倍，以毫米級精度和毫秒級分辨率拍攝大腦表面區(qū)域的磁圖像。

傳感器小巧輕便的特點(diǎn)也意味著它們可以被安裝在可穿戴的頭盔中，讓人們在掃描過程中自由移動，而不是像目前的情況那樣需要人們長時間保持靜止。此外，它可以適應(yīng)不同的頭部形狀和尺寸，使其不僅可以掃描成年人，也可以掃描兒童和嬰兒。此外，“使用OPM的MEG原則上要比使用SQUID便宜很多，"Brookes說。“即使是現(xiàn)在——使用OPM的早期，一個完整的MEG成像系統(tǒng)的價(jià)格仍然是SQUID系統(tǒng)的一半，而性能相似。"

一種新的量子傳感器可以繪制地球引力場的強(qiáng)度[3]，這有助于揭示隱藏在地下的特征。

新的量子傳感器使用被冷卻到零度以上幾百萬分之一的銣原子云。激光脈沖驅(qū)動原子進(jìn)入疊加狀態(tài)，兩類原子沿著略有不同的軌跡下落，然后這些原子被重新組合。然后，由于波粒二象性這一量子現(xiàn)象，這些原子在量子力學(xué)上相互干涉，它們的波峰和波谷相互增強(qiáng)或抑制。通過分析這種干涉的性質(zhì)，一種被稱為“原子干涉測量法"的技術(shù)，可以揭示沿著它們各自的路徑感受到的略有不同的重力的程度。

該傳感器采用沙漏式設(shè)計(jì)，設(shè)備的每一半都有一朵原子云，相互間在垂直方向上相隔1米。因此，該傳感器可以在同一地點(diǎn)兩個分析不同高度的地球重力強(qiáng)度。通過比較來自這些云的數(shù)據(jù)，研究人員可以解釋各種噪聲源。在實(shí)驗(yàn)中，該傳感器可以檢測到埋在英格蘭伯明翰市兩座多層建筑之間路面下約0.5米的2×2米的公用隧道。

該傳感器的潛在應(yīng)用包括看到隱藏的地下結(jié)構(gòu)、探測地下自然資源、發(fā)現(xiàn)地下考古遺址、以及監(jiān)測火山活動和地下水流。

英國伯明翰大學(xué)的科學(xué)家們現(xiàn)在正在努力建造一個背包大小的傳感器，重量約為20公斤，靠電池提供能源，并計(jì)劃將該傳感器商業(yè)化。

另一種有前途的量子傳感器可能實(shí)現(xiàn)對肺炎病毒進(jìn)行更快、更便宜和更準(zhǔn)確的測試[4]。它依賴于微型人造金剛石和其內(nèi)部缺陷：其中一個碳原子被一個氮原子取代，同時相鄰的碳原子缺失。晶體中的這種缺陷表現(xiàn)得像一塊微小的磁鐵，其排列對磁場非常敏感，有助于這種“氮-空位中心"作為傳感器使用。

這項(xiàng)新技術(shù)需要在大約25納米寬的金剛石氮-空位中心上涂抹磁性化合物，這些化合物在與病毒的特定RNA序列結(jié)合后從金剛石上分離出來。當(dāng)這些金剛石被綠光照亮?xí)r，它們會發(fā)出紅光。磁性涂層使這種光變暗；將傳感器暴露在病毒中可以增強(qiáng)這種光。

目前對病毒的黃金標(biāo)準(zhǔn)測試需要幾個小時才能創(chuàng)建足夠的病毒遺傳物質(zhì)的副本來進(jìn)行檢測；此外，它不能高度準(zhǔn)確地量化存在的病毒數(shù)量，并且可能有超過25%的假陰性率。相比之下計(jì)算機(jī)模擬表明，新的測試?yán)碚撋现恍枰幻腌娋湍馨l(fā)揮作用，其靈敏度足以檢測到幾百股病毒RNA，并且假陰性率可能低于1%。

該測試中使用的納米金剛石和其他材料都很便宜。此外，通過調(diào)整磁性涂層以匹配目標(biāo)病毒，這種新方法可以適用于幾乎任何病毒，包括可能出現(xiàn)的任何新病毒。

量子金剛石傳感器也可以用于細(xì)胞內(nèi)的“溫度計(jì)"[5]。

金剛石中的氮-空位中心對微小的溫度波動非常敏感。芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家Peter Maurer和他的同事將具有這種缺陷的納米級金剛石注入活體細(xì)胞，并研究晶體對激光束的反應(yīng)，以便將細(xì)胞內(nèi)的溫度映射到千分之幾攝氏度。

你可以想象使用這種原子級的溫度計(jì)來研究溫度如何影響細(xì)胞分裂、基因表達(dá)以及分子如何進(jìn)出細(xì)胞，這些都是醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的主要問題。

科學(xué)家們開發(fā)了一種新的方法，將單一的蛋白質(zhì)和DNA分子束縛在有氮-空位中心的金剛石表面。通過分析這些分子的磁場，你可以了解原子之間的距離、它們之間相互作用的強(qiáng)度、它們的位置以及將它們保持在一起的原因。

世界現(xiàn)在嚴(yán)重依賴導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，如GPS，但幫助實(shí)現(xiàn)這種定位、導(dǎo)航和計(jì)時的衛(wèi)星鏈路在地下或水下無法工作，而且容易受到干擾、欺騙和天氣的影響?，F(xiàn)在，倫敦帝國理工學(xué)院和位于格拉斯哥的M Squared公司開發(fā)的量子傳感器可以在GPS失效的情況下幫助船只導(dǎo)航[6]。

該量子傳感器是一個類似于重力測繪裝置的原子干涉儀。分析其原子波包的相位如何移動可以揭示它們所經(jīng)歷的任何加速度或旋轉(zhuǎn)，該設(shè)備可以用來計(jì)算位置隨時間的變化。

這種量子加速度計(jì)可以作為一個不依賴任何外部信號的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)。倫敦帝國理工學(xué)院冷物質(zhì)中心的研究員Joseph Cotter說，“溫度波動和其他因素導(dǎo)致傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置估計(jì)在沒有外部參考信號的情況下，會在數(shù)小時內(nèi)漂移，而M Squared的設(shè)備即使在經(jīng)歷數(shù)天后也可忽略這種漂移。"

隨著技術(shù)發(fā)展，設(shè)備將越來越緊湊、成本越來越低，通過在船舶、火車和飛機(jī)上的部署，它將在整個運(yùn)輸行業(yè)產(chǎn)生更廣泛的效益。研究人員計(jì)劃在今年夏天對他們的設(shè)備進(jìn)行實(shí)地測試。目前，該量子加速度計(jì)大約有兩臺洗衣機(jī)那么大，Cotter指出，“我們正在努力使其更加緊湊。"

大多數(shù)量子傳感器公司專注于硬件，而位于悉尼的初創(chuàng)公司Q-CTRL專注于軟件，以增強(qiáng)量子技術(shù)。

例如，許多量子傳感器使用激光掃描冷原子來檢測環(huán)境中的任何變化，但設(shè)備中的任何運(yùn)動都可能導(dǎo)致原子移出激光束。Q-CTRL的創(chuàng)始人兼CEO Michael Biercuk說：“通過我們的軟件，我們可以塑造光脈沖——它的頻率、幅度、相位——以使其在不改變硬件本身的情況下更有彈性地抑制運(yùn)動。"

Q-CTRL正在與位于悉尼的慣性導(dǎo)航公司Advanced Navigation合作，開發(fā)一個基于銣原子干涉儀的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以安裝在不到1立方米的地方，并可以在GPS失效的地區(qū)工作。Biercuk說：“我們的目標(biāo)是在2023年交付可部署的系統(tǒng)。"

該公司還旨在將原子干涉儀放置在衛(wèi)星上，以低于目前成本100倍的價(jià)格從太空進(jìn)行重力測繪，預(yù)計(jì)2025年將演示有效載荷發(fā)射到低地球軌道。此外，Q-CTRL還是澳大利亞“七姐妹航天工業(yè)聯(lián)盟"的成員——該聯(lián)盟正在設(shè)計(jì)一個新的月球車，以支持NASA的Artemis計(jì)劃。其中，Q-CTRL正在研究一個基于銣的量子原子磁力計(jì)，以磁力分析月球巖石的氧氣。

暗物質(zhì)、巨型望遠(yuǎn)鏡

量子傳感器可能有助于探測遠(yuǎn)在地球之外的事物。例如，宇宙中的謎團(tuán)之一是暗物質(zhì)的性質(zhì)和“身份"，這種不不見的物質(zhì)被認(rèn)為構(gòu)成了宇宙中所有物質(zhì)的六分之五。暗物質(zhì)的主要理論候選物包括被稱為“軸子"(axion)的粒子，原則上它們的質(zhì)量極低，最多只有質(zhì)子質(zhì)量的萬億分之一，這使得它們難以被探測。

斯坦福大學(xué)的量子物理學(xué)家Kent Irwin和他的同事們正在開發(fā)一種“暗物質(zhì)無線電接收器"[7]，以探測軸子和類似的暗物質(zhì)候選物。該設(shè)備中的一個強(qiáng)大的磁鐵將把軸子轉(zhuǎn)換成無線電波，而量子傳感器將放大和探測這些極弱的無線電信號。

由于暗物質(zhì)無線電探測的頻率包括用于無線廣播的頻率，該設(shè)備將需要在液氦中冷卻的超導(dǎo)鈮金屬薄層中進(jìn)行屏蔽。這可以屏蔽掉人工信號，但很容易被暗物質(zhì)穿透。Irwin說：“我們現(xiàn)在正在計(jì)劃一個新版本的暗物質(zhì)無線電接收器，其體積約為1立方米，我們希望在未來幾年內(nèi)建造它。"

量子物理學(xué)也可能有助于實(shí)現(xiàn)巨型望遠(yuǎn)鏡陣列[8]。理論上，在太空中相距甚遠(yuǎn)的多個望遠(yuǎn)鏡可以被組合起來，形成一個數(shù)千公里寬的望遠(yuǎn)鏡。用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對可見光成像形成這樣的陣列是很困難的，因?yàn)樵谶B接這些望遠(yuǎn)鏡的任何光纖中不可避免地會出現(xiàn)隨機(jī)波動。然而，糾纏原則上可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)的量子隱形傳態(tài)。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）的量子光學(xué)研究人員Paul Kwiat目前正在用桌面實(shí)驗(yàn)研究這種“量子增強(qiáng)型望遠(yuǎn)鏡"。一個大約相當(dāng)于地球直徑的望遠(yuǎn)鏡陣列原則上可以對附近恒星上城市大小的特征進(jìn)行成像。

最近，奧地利的科學(xué)家們開發(fā)了個可編程的量子傳感器[9]，這是一個能夠在量子力學(xué)定律的極限附近運(yùn)行的靈敏度水平的設(shè)備。

在這項(xiàng)工作中，他們對一臺量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程，為自己找到設(shè)置，以測量其組件的狀態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)這種可編程的量子傳感器可以優(yōu)化自身，以接近基本的傳感極限，可達(dá)約1.45(一個傳感器越接近傳感極限1，其性能就越好）。他們建議，可編程的量子傳感器可以在諸如原子鐘和定位系統(tǒng)、磁和慣性傳感器等設(shè)備中找到用途。

總而言之，量子傳感器正在帶來的精度，影響從單一蛋白質(zhì)到天文學(xué)和宇宙學(xué)問題的方方面面。