从深地探测到脑科学，以及空天交通管制，量子器件传感潜力巨大。但首先，量子传感器必须走出实验室，实现商业应用化。
Quantum sensors will start a revolution — if we deploy them right
量子传感器将引发一场科技革命——如果正确部署的话。
2020年，美国陆军开发的量子传感器，可探测整个无线电频谱的通信信号。来源：美国陆军。
基于原子和光的基本属性，量子传感器Quantum sensors有望实现测量世界。不过，粒子的量子态对环境极其敏感，这对传感来说优势之一，但是，对制造量子计算机来说，无疑却是个问题。相比基于化学或电信号的经典设备，利用粒子作为探针的量子传感器，更精确地量化加速度、磁场、旋转、重力和时间流逝。量子传感器，可用于制造更小、更精确的原子钟，从而实现穿透迷雾和见微知著的照相机，以及用于绘制地下结构的设备，还有许多其他潜在的工程应用。量子传感器将改变诸多行业，从能源、土地使用和交通运输到医疗保健、金融和安全。但其商业承诺，需要得到更多的赞赏。
随着在实验室中开发量子传感器，政府和产业界需要更多地意识到量子传感器的潜在用途，特别是在国家关键基础设施的安全方面（例如空中交通管制系统和供水设施）。然而，将量子传感器应用于现实世界方面，公众关注和资助体系，依然面临障碍。
其中挑战之一是，很难准确预测新兴技术，将如何采用，以及在何处场景。物理学历史充满了偶然的发明。例如，X射线发生器是观察电子束是否能穿透玻璃实验过程中，收获的意外副产品，现在X射线发生器对医学和机场安全，是至关重要的。激光的发明者Theodore Maiman，将这种技术描述为“寻找问题的解决方案solution seeking a problem”。
另一个因素是，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。事实上，与量子计算机不同的是，量子传感器已经在实验室中投入使用。量子计算机受到了很多媒体的关注，但可能还需要几十年才能提供广泛的商业优势。少数已经投入商业使用：例如，原子钟利用原子中的高频量子跃迁，极其精确地测量时间的流逝。原子钟的准确性，保持了通信和能源网络以及数字无线电台的同步。对于GPS等卫星导航服务，是至关重要的。
即便如此，GPS接收器也花了20年时间，才从军方、精通技术tech-savvy hikers和船长使用的专业设备，转变为为智能手机和汽车提供商业应用导航。现在，量子界，需要建立类似的途径，实现其他类型量子传感器的商业利益。
在卫星上的量子重力传感器和量子气体探测器，可用于收集地下水、二氧化碳和甲烷水平的准确数据，以提升气候建模。量子磁传感器，还可以对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。量子传感器跟踪重力梯度、磁场和惯性力的精度是传统传感器的1000倍，两者融合，有望会在卫星信号受到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。
近日，德国乌尔姆大学（Universität Ulm）Kai Bongs，英国 伯明翰大学(University of Birmingham)Simon Bennett，Anke Lohmann，在Nature发表评论文章，强调了将量子传感器商业化的五个优先事项，以使其更快地商业化。
在产业界，创新者很少关注仅仅证明了理念的实验结果。而是想知道一种器件，是否有望可靠地用于特定应用，及其是否能为企业带来财务利益。研究人员需要确保市场上的任意传感器，都是坚固可靠的，可以重复制造且具有成本效益，并且与使用中的其他系统完美兼容。在实践中，这可能意味着重新设计技术的许多方面。每一次技术调整，都会带来新的挑战。
例如，英国量子技术中心传感器和计时实验室（UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing）开发了一种测量重力梯度的传感器。在相距1米的两个腔室中，激光从蒸汽中捕获铷原子，并将其冷却至静止状态。更多的激光脉冲产生量子态的叠加，并为每个云中的铷原子读出这些量子态。软件将这些信号转换为重力梯度测量值。基于单个激光束，实现了调控原子，这种量子设备，对振动噪声的敏感度，比传统重力仪低1000倍，因此更容易部署。
基于金刚石的量子传感器，测量原子尺度的磁场。Credit: David Kelly Crow/de Leon lab/Princeton University
在实验室中，首次演示版本只有一辆小型货车大小，桌子上摆满了光学元件，以及电子系统和电源机架。这种重力梯度的量子传感器，主要由定制的零件制成，并且手工调整。把这个器件带出实验室，基于局部重力的微小变化，有望感知地下隧道，意味着所有的组件都更坚固、更小、更便宜，同时也提高了其使用性能。
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，将其限制在真空中以避免空气湍流，并使激光脉动，以减少杂散磁场的影响。目前正在进行的工作是，在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，以便安装在无人机上进行大面积勘测。
微型化miniaturization的前景途径之一是，在光子微芯片中集成量子传感器5，6。这依赖于光（光子），而不是传统微芯片中使用的电子，并且速度更快，能量效率更高。在光纤网络中，也有类似的技术。量子传感器微型化，可利用光子芯片和现有用于车辆安全气囊的微机电系统micro-electro-mechanical systems（MEMS）制造工艺。这样做的好处是，所制备器件会更坚固耐用，比笨重光学系统更好地应对振动。
不过，主要挑战在于，将所有元器件集成到一个系统中，包括激光器、调制器、波导和分束器，以及蒸气室等组件。这需要进一步研究和投资新材料、制造技术、设备封装以及测试和验证工艺。低成本构建模块的量子传感器技术标准化，也是迫切需要的，这反映了光纤通信和微机电系统MEMS传感器技术的工艺过程。
研究人员需要与商业精英保持平等交流，以确定量子传感器如何在一系列应用中增加价值。例如，重力传感器的用途并不明显；很少有人根据重力或材料的密度，想象其服役周围的环境。但在与100多家公司讨论后，会得出结论，重力传感器将非常适合探测地下的未知情况，从被遗忘的矿井位置到地下水位，以及土壤和岩浆流中的碳分布。原则上，经典重力仪可以看到这些，但地面振动使测量时间过长，通常单个数据点需要5-10分钟。有了量子重力梯度仪，这样的数据，可以在几秒钟内收集完成，这为重力光谱绘制开辟了潜力4。而这正是到目前为止所需关注的。
一种光学时钟，其中锶离子响应于激光而振荡。Credit: Andrew Brookes, National Physical Laboratory/Science Photo Library
这需要为应用研究和学术界与工业界之间的多学科合作，提供资金，以验证这些设计理念。在这一案例中，下一步涉及地球物理学研究，使用这种重力仪，提高对水如何在地下流动和积聚的理解。例如，该信息可用于改进洪水模型。还需要进行土木工程研究，以确定如何使用这种传感器，最好地检测水管的泄漏。更广泛的技术和经济考虑，将决定如何在水管理中，最有效地使用这一方法。
此外，商业公司应该开始考虑新的商业模式，比如为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，将使企业在利用市场混乱方面，处于有利地位，而不是为市场混乱所困。
任何传感器都必须融合到更大体系中，才能获益。例如，惯性传感器（一种检测运动的传感器）其本身相对无用。而当其与智能手机中的电子设备、软件和显示屏集成时，，惯性传感器可以提供有关步数和用户消耗卡路里的健康信息。
类似地，量子加速度计和旋转、重力和磁场传感器，可以组合成定位、导航和定时系统，用于海底和深地探测。对于这些应用，量子传感器提供了比传统传感器更小的偏差、更好的精度和更高的稳定性，在不使用全球卫星系统（如GPS）的情况下，实现了米级精度的导航。例如，这一能力，将使海底资源勘探成为可能，并确保和维护海上风电场和石油钻井平台的管道、电缆和基础。
然而，量子传感器集成到成熟的导航系统中，仍然极具挑战。单独构建惯性测量单元，需要三个加速度计（每个空间维度一个）和三个旋转传感器（每个旋转自由度一个），从而以完美的直角排列，并且都与时钟连接。如果安装在车辆或潜艇上，这种导航系统，将需要补偿由地球自转引起的局部重力和其他力的微小变化。整个体系都都需要校准，这在所需的高精度水平上，很难实现。
而且，还需要重力和磁传感器绘制沿飞行器轨迹的这些磁场，以及带有专业软件的计算机控制系统。需要开发原位读数数据库，以便与记录的重力和磁力轨迹进行比较，从而进行绝对定位，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连接起来。例如，下一代量子时钟“光学时钟optical clocks”有望彻底改变通信网络，其精度比当前卫星导航系统提供的时间精确1000倍。例如，这可能会实现新的超高速宽带模式，将更多的数据包压缩到信道带宽中，并使用更少的能量，实现单量子位的数据传输。类似地，探测氢的量子传感器，有望加快从天然气到氢燃料的能源转换，因其可以探测泄漏并保护基础设施，以确保这种潜在的高爆炸性燃料的安全推广。
学术研究人员，还可以开发具有适当特性的传感器，然而工业界则需要引领这一系统集成过程。现有的学术资金流依然太少，无法支持这种合作研究。要做到这一点，需要与工业界签订大量的长期研究和开发合同。例如，在2000年代，美国国防高级研究计划局（DARPA）提供的资金，涉及学术界和工业界的专门开发项目，在十年内创建了芯片级原子钟。
来自传感器的原始数据，需要转换为对特定任务有用的信息。例如，尽管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磁场，但大脑活动的3D可视化，需要一系列这样的传感器，以及算法和图形表示，从而以可视化解释的方式呈现数据。
这种系统的开发正在进行中，并有望彻底改变对大脑状况的理解。实时映射（例如，每秒扫描100次）和分析大脑对视觉或感官刺激的反应，即使是在人移动的时候，有望取代目前基于患者问卷调查诊断大脑疾病的技术。还可以让医生在个体基础上，评估药物对脑部疾病的疗效。
德国Q.Ant公司的一名研究人员，正在检查一台用于工业用途的量子传感器。Credit: Sebastian Gollnow/dpa via Alamy
类似地，需要高级分析，从重力勘测中提取3D地下图像。在重力勘测中，确定感应物体的深度，仍然具有挑战性。因为量子振荡器驱动的雷达组，需要联网，以显示详细的图像，而不是雷达屏幕上的点，例如需要对无人机和在城市上空飞行的鸟类，进行分类和区分。必须部署大数据技术，收集所有这些信息，例如，监控城市中成千上万的送货无人机。
就时间和精力而言，数据建设的最大挑战是，基于试验创建“训练”数据集。研究人员需要进行大规模的医学试验，以找到大脑状况的生物标志物，从重力仪网络收集数据，以了解地下水和其他资源，并通过跨城市的传感器网络获取雷达数据。为此，鼓励各国政府为此类方案提供资金，为未来的企业提供种子源。
尽管许多国家已经开始协同努力开发量子技术的基础水平，但在采用和利用方面，仍然存在分散的方法。由于许多团队都在孤立地工作，解决此处所概述的研究挑战，将需要几十年的时间。为了加快速度，需要一种量子传感器研究项目的协同策略。
在研究端，包括德国、日本、荷兰、英国和美国在内的一些国家，已经建立了研发中心和大型项目，通过捆绑专业知识，并提供与行业和其他合作伙伴互动的平台，从而协调量子技术的学术和国家战略需求。然而，总体而言，在国家量子技术计划中，量子传感器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Quantum BW计划，该计划明确专注于量子传感。
政府需要引入政策和法规，用以支持量子传感器的创新，其中重点之一是，加强关键国家基础设施的管理和安全。例如，2020年总统命令要求美国国家航空当局，在2025年前独立于全球导航卫星系统定时。这将确保空中交通管制系统，即使在意外或敌对干预导致系统故障的情况下也能继续工作。现在确定影响，还为时尚早，但该命令已经为与计时技术相关商业理念出现，设定了边界条件。
在通信、水资源管理和医学领域，类似方法会鼓励这些领域采用量子传感器，使其更具弹性——通过独立的计时和导航，或更详细的数据。还需要采取主动行动，让从组件制造商到系统集成商的公司与学者一起，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到市场。其中之一就是英国的量子传感器国家加速器。该加速器于2022年启动，目前仍未获得全部资金，涉及三家全球企业巨头（BAE系统公司、英国石油公司和英国电信），并致力于引入更多公司。尽管其他国家的计划总体上以量子技术为目标（如美国的QED-C），但英国计划的独特之处在于专注于传感器。
总之，目前迫切需要一种长期的、行业主导的量子传感器创新方法。量子传感器的物理学，有望提供更多性能，但问题是：谁将引领量子传感器，最终造福世界？
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文献链接
https://www.nature.com/articles/d41586-023-01663-0
https://doi.org/10.1038/d41586-023-01663-0
Nature 617, 672-675 (2023)
本文译自Nature。
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