量子傳感器技術與應用-量子傳感器技術與應用01目錄Content量子傳感器技術與應用量子傳感器技術與應用量子傳感器是根據量子力學規律、利用量子效應設計的、用于執行對系統被測量進行變換的物理裝置量子傳感器運用了量子態的極端敏感性，但要使它們切實可行、落地應用是一個極大的挑戰量子傳感器技術與應用一、量子傳感器的定義一項技術怎樣才能認為是量子技術？業內研究員普遍認為，遵循量子力學規律，利用量子的疊加性與糾纏性等量子效應的技術，都可嚴格地認為是量子技術近年來，人們發現利用量子力學的基本屬性，例如量子相干，量子糾纏，量子統計等特性，可以實現更高精度的測量。因此，基于量子力學特性實現對物理量進行高精度的測量稱為量子傳感在量子傳感中，電磁場、溫度、壓力等外界環境直接與電子、光子、聲子等體系發生相互作用并改變它們的量子狀態，最終通過對這些變化后的量子態進行檢測實現外界環境的高靈敏度測量。而利用當前成熟的量子態操控技術，可以進一步提高測量的靈敏度。因此，這些電子、光子、聲子等量子體系就是一把高靈敏度的量子"尺子"——量子傳感器量子傳感器技術與應用(1)利用量子效應、根據相應量子算法設計的、用于執行變換功能的物理裝置(2)為了滿足對被測量進行變換,某些部分細微到必須考慮其量子效應的變換元件。不管從哪個方面定義,量子傳感器都必須遵循量子力學規律。可以說,量子傳感器就是根據量子力學規律、利用量子效應設計的、用于執行對系統被測量進行變換的物理裝置比如量子雷達技術，就運用了量子糾纏原理。根據物理學家SethLloyd的理論方案，這個過程包括將一系列糾纏光子對中的一半從一個物體上彈回來，然后將返回的光子與被阻擋的光子進行比較這樣做的目的是將最初發出的輻射與強噪聲源區分開來，發現隱形飛機等普通雷達無法探測到的物體，并將雷達操作員隱藏起來與蓬勃發展的生物傳感器一樣,量子傳感器應由產生信號的敏感元件和處理信號的輔助儀器兩部分組成,其中敏感元件是傳感器的核心,它利用的是量子效應所謂量子傳感器，可以從兩方面加以定義量子傳感器技術與應用二、量子傳感器的特性傳感器的性能品質主要從準確度、穩定性和靈敏度等方面加以評價結合量子傳感器的自身特點,可以從以下幾個方面來考慮量子傳感器的性能量子傳感器技術與應用(1)非破壞性在量子控制中,由于測量可能會引起被測系統波函數約化,同時,傳感器也可能引起系統狀態變化,因此,在測量中,要充分考慮量子傳感器與系統的相互作用因為量子控制中的狀態檢測與經典控制中的狀態檢測存在本質上的不同,測量可能引起的狀態波函數約化過程暗示了對狀態的測量已經破壞了狀態本身,因此,非破壞性是量子傳感器應重點考慮的方面之一在進行實際檢測時,可以考慮將量子傳感器作為系統的一部分加以考慮,或者作為系統的擾動,將傳感器與被測對象相互作用的哈密頓考慮在整個系統狀態的演化之中量子傳感器技術與應用(2)實時性根據量子控制中測量的特點,特別是狀態演化的快速性,使得實時性成為量子傳感器品質評價的重要指標實時性要求量子傳感器的測量結果能夠較好的與被測對象的當前狀態相吻合,必要時能夠對被測對象量子態演化進行跟蹤,在設計量子傳感器時,要考慮如何解決測量滯后問題量子傳感器技術與應用(3)靈敏性由于量子傳感器的主要功能是實現對微觀對象被測量的變換,要求對象微小的變化也能夠被捕捉,因此,在設計量子傳感器時,要考慮其靈敏度能夠滿足實際要求量子傳感器技術與應用(4)穩定性在量子控制中,被控對象的狀態易受環境影響,量子傳感器在探測對象量子態時也可能引起對象或傳感器本身狀態的不穩定,解決的辦法是引入環境工程的思想,考慮用冷卻阱、低溫保持器等方法加以保護量子傳感器技術與應用(5)多功能性量子系統本身就是一個復雜系統,各子系統之間或傳感器與系統之間都易發生相互作用,實際應用時總是期望減少人為影響和多步測量帶來的滯后問題,因此,可以將較多的功能,如采樣、處理、測量等集成在同一量子傳感器上,并將合適的智能控制算法融入其中,設計出智能型的、多功能量子傳感器量子傳感器具有許多經典傳感器所不具有的性質,設計量子傳感器時,在重點考慮將量子領域不可直接測量量變換成可測量量外,還應從非破壞性、實時性、靈敏性、穩定性、多功能性等方面對量子傳感器的性能加以評估量子傳感器技術與應用三、量子傳感器的應用①、微小壓力測量美國國家標準與技術研究所(NIST)已經研制出一種壓力傳感器，可以有效地對盒子里的顆粒進行計數該裝置通過測量激光束穿過氦氣腔和真空腔時產生的拍頻來比較真空腔和氦氣腔的壓力氣體中激光頻率的微小變化，以保持共振駐波反映了壓力的微小變化(因為壓力改變折射率)。該量子壓力傳感器，加上氦折射率的第一原理計算，可以作為壓力標準，取代笨重的水銀壓力計。還可能應用于校準半導體鑄造廠的壓力傳感器，或作為非常精確的飛機高度計量子傳感器技術與應用②、精準重力測量光線測量并不適用于所有的成像工作，作為新的替代補充手段，重力測量可以很好的反映出某一地方的細微變化，例如難以接近的老礦井、坑洞和深埋地下的水氣管用此方法，油礦勘探和水位監測也會變得異常容易利用量子冷原子所開發的新型引力傳感器和量子增強型MEMS(微電子機械系統)技術要比以前的設備有更高的性能，在商業上也會有更重要的應用。而低成本MEMS裝置也在構想之中，預計它將會只有網球大小，敏感程度要比在智能手機中使用的運動傳感器高一百萬倍。一旦這項技術成熟，那么大面積的重力場圖像繪制也就將成為可能量子傳感器技術與應用③、量子傳感器探測無線電頻譜美國陸軍研究人員研制出了一款新型量子傳感器，可以幫助士兵探測整個無線電頻譜——從0到100吉赫茲(GHz)的通信信號新型量子傳感器非常小巧，幾乎無法被其他設備探測到，有望讓士兵們如虎添翼，如可用作通信接收器盡管里德堡原子擁有廣譜靈敏度，但科學家迄今從未對整個運行波段的靈敏度進行定量描述量子傳感器技術與應用④、醫療健康癡呆?。焊鶕柎暮Ｄf會估計，全世界每年因癡呆病而造成的經濟損失約有5000億英鎊，這一數字還在不斷增加而當前基于患者問卷的診斷形式通常會使治療手段的選擇可能性被嚴重限制，只有做好早期的診斷和干預才可以有更好的效果研究人員正在研究一種稱為腦磁圖描記術(MEG)的技術可用于早期診斷。但問題是該技術目前需要磁屏蔽室和液氦冷卻操作，這使得技術推廣變得異常昂貴。而量子磁力儀則可以很好地彌補這方面的缺陷，它靈敏度更高、幾乎不需要冷卻和與屏蔽，更關鍵的是它的成本更低量子傳感器技術與應用⑤、交通運輸和導航交通運輸越發展就越需要了解各種交通工具的準確位置信息及狀況，這也就對汽車、火車和飛機所攜帶的傳感器數量提出了要求，衛星導航設備、雷達傳感器、超聲波傳感器、光學傳感器等都將逐漸成為標配然而有了這些還遠遠不夠，傳感器技術的發展也將面對新的挑戰自動駕駛汽車和火車的定位及導航精度被嚴格要求在10厘米以內;下一代駕駛輔助系統必須可以隨時監測到當地厘米級的危險路況。使用基于冷原子的量子