量子传感器技术与应用

量子传感器技术与应用-量子传感器技术与应用01目录Content量子传感器技术与应用量子传感器技术与应用量子传感器是根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置量子传感器运用了量子态的极端敏感性，但要使它们切实可行、落地应用是一个极大的挑战量子传感器技术与应用一、量子传感器的定义一项技术怎样才能认为是量子技术？业内研究员普遍认为，遵循量子力学规律，利用量子的叠加性与纠缠性等量子效应的技术，都可严格地认为是量子技术近年来，人们发现利用量子力学的基本属性，例如量子相干，量子纠缠，量子统计等特性，可以实现更高精度的测量。因此，基于量子力学特性实现对物理量进行高精度的测量称为量子传感在量子传感中，电磁场、温度、压力等外界环境直接与电子、光子、声子等体系发生相互作用并改变它们的量子状态，最终通过对这些变化后的量子态进行检测实现外界环境的高灵敏度测量。而利用当前成熟的量子态操控技术，可以进一步提高测量的灵敏度。因此，这些电子、光子、声子等量子体系就是一把高灵敏度的量子"尺子"——量子传感器量子传感器技术与应用(1)利用量子效应、根据相应量子算法设计的、用于执行变换功能的物理装置(2)为了满足对被测量进行变换,某些部分细微到必须考虑其量子效应的变换元件。不管从哪个方面定义,量子传感器都必须遵循量子力学规律。可以说,量子传感器就是根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置比如量子雷达技术，就运用了量子纠缠原理。根据物理学家SethLloyd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与蓬勃发展的生物传感器一样,量子传感器应由产生信号的敏感元件和处理信号的辅助仪器两部分组成,其中敏感元件是传感器的核心,它利用的是量子效应所谓量子传感器，可以从两方面加以定义量子传感器技术与应用二、量子传感器的特性传感器的性能品质主要从准确度、稳定性和灵敏度等方面加以评价结合量子传感器的自身特点,可以从以下几个方面来考虑量子传感器的性能量子传感器技术与应用(1)非破坏性在量子控制中,由于测量可能会引起被测系统波函数约化,同时,传感器也可能引起系统状态变化,因此,在测量中,要充分考虑量子传感器与系统的相互作用因为量子控制中的状态检测与经典控制中的状态检测存在本质上的不同,测量可能引起的状态波函数约化过程暗示了对状态的测量已经破坏了状态本身,因此,非破坏性是量子传感器应重点考虑的方面之一在进行实际检测时,可以考虑将量子传感器作为系统的一部分加以考虑,或者作为系统的扰动,将传感器与被测对象相互作用的哈密顿考虑在整个系统状态的演化之中量子传感器技术与应用(2)实时性根据量子控制中测量的特点,特别是状态演化的快速性,使得实时性成为量子传感器品质评价的重要指标实时性要求量子传感器的测量结果能够较好的与被测对象的当前状态相吻合,必要时能够对被测对象量子态演化进行跟踪,在设计量子传感器时,要考虑如何解决测量滞后问题量子传感器技术与应用(3)灵敏性由于量子传感器的主要功能是实现对微观对象被测量的变换,要求对象微小的变化也能够被捕捉,因此,在设计量子传感器时,要考虑其灵敏度能够满足实际要求量子传感器技术与应用(4)稳定性在量子控制中,被控对象的状态易受环境影响,量子传感器在探测对象量子态时也可能引起对象或传感器本身状态的不稳定,解决的办法是引入环境工程的思想,考虑用冷却阱、低温保持器等方法加以保护量子传感器技术与应用(5)多功能性量子系统本身就是一个复杂系统,各子系统之间或传感器与系统之间都易发生相互作用,实际应用时总是期望减少人为影响和多步测量带来的滞后问题,因此,可以将较多的功能,如采样、处理、测量等集成在同一量子传感器上,并将合适的智能控制算法融入其中,设计出智能型的、多功能量子传感器量子传感器具有许多经典传感器所不具有的性质,设计量子传感器时,在重点考虑将量子领域不可直接测量量变换成可测量量外,还应从非破坏性、实时性、灵敏性、稳定性、多功能性等方面对量子传感器的性能加以评估量子传感器技术与应用三、量子传感器的应用①、微小压力测量美国国家标准与技术研究所(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)。该量子压力传感器，加上氦折射率的第一原理计算，可以作为压力标准，取代笨重的水银压力计。还可能应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量子传感器技术与应用②、精准重力测量光线测量并不适用于所有的成像工作，作为新的替代补充手段，重力测量可以很好的反映出某一地方的细微变化，例如难以接近的老矿井、坑洞和深埋地下的水气管用此方法，油矿勘探和水位监测也会变得异常容易利用量子冷原子所开发的新型引力传感器和量子增强型MEMS(微电子机械系统)技术要比以前的设备有更高的性能，在商业上也会有更重要的应用。而低成本MEMS装置也在构想之中，预计它将会只有网球大小，敏感程度要比在智能手机中使用的运动传感器高一百万倍。一旦这项技术成熟，那么大面积的重力场图像绘制也就将成为可能量子传感器技术与应用③、量子传感器探测无线电频谱美国陆军研究人员研制出了一款新型量子传感器，可以帮助士兵探测整个无线电频谱——从0到100吉赫兹(GHz)的通信信号新型量子传感器非常小巧，几乎无法被其他设备探测到，有望让士兵们如虎添翼，如可用作通信接收器尽管里德堡原子拥有广谱灵敏度，但科学家迄今从未对整个运行波段的灵敏度进行定量描述量子传感器技术与应用④、医疗健康痴呆病：根据阿尔茨海默病协会估计，全世界每年因痴呆病而造成的经济损失约有5000亿英镑，这一数字还在不断增加而当前基于患者问卷的诊断形式通常会使治疗手段的选择可能性被严重限制，只有做好早期的诊断和干预才可以有更好的效果研究人员正在研究一种称为脑磁图描记术(MEG)的技术可用于早期诊断。但问题是该技术目前需要磁屏蔽室和液氦冷却操作，这使得技术推广变得异常昂贵。而量子磁力仪则可以很好地弥补这方面的缺陷，它灵敏度更高、几乎不需要冷却和与屏蔽，更关键的是它的成本更低量子传感器技术与应用⑤、交通运输和导航交通运输越发展就越需要了解各种交通工具的准确位置信息及状况，这也就对汽车、火车和飞机所携带的传感器数量提出了要求，卫星导航设备、雷达传感器、超声波传感器、光学传感器等都将逐渐成为标配然而有了这些还远远不够，传感器技术的发展也将面对新的挑战自动驾驶汽车和火车的定位及导航精度被严格要求在10厘米以内;下一代驾驶辅助系统必须可以随时监测到当地厘米级的危险路况。使用基于冷原子的量子