近年來(lái)，量子傳感器越來(lái)越受歡迎，可用于不同的安全關(guān)鍵行業(yè)。本文定義了量子傳感器背后的概念、其歷史、部署這些傳感器的當(dāng)前廣泛應(yīng)用以及它們面臨的挑戰(zhàn)。

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考慮一個(gè) n 維空間中的系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，一個(gè)量子態(tài)將是一個(gè)向量，它將包含關(guān)于該系統(tǒng)的所有信息。

量子態(tài)的好處是系統(tǒng)可以同時(shí)處于不同的狀態(tài)。由于這些量子“環(huán)境”經(jīng)常因干擾而發(fā)生變化，因此使用量子傳感器來(lái)測(cè)量和監(jiān)控它們的行為。

歷史 

已知量子傳感器記錄可以在 1600 年代找到，當(dāng)時(shí)伽利略使用自己的脈沖并將其與比薩大教堂的鐘擺擺動(dòng)相匹配。他觀察到，每一次心跳都標(biāo)志著一個(gè)特定的時(shí)間已經(jīng)過(guò)去。他的心跳幾乎與鐘擺的一次擺動(dòng)相匹配。 

滴答率和時(shí)間的概念是這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)，并產(chǎn)生了原子鐘。在原子鐘中，原子的自然振蕩就像鐘擺一樣。唯一的區(qū)別是原子的振蕩具有更高的頻率和穩(wěn)定性。原子鐘完全準(zhǔn)確，長(zhǎng)達(dá)一億年的誤差僅為1秒。

量子傳感器的另一種用途可以在原子干涉儀中找到，它利用原子的量子力學(xué)性質(zhì)——包括質(zhì)子和中子。原子干涉儀的概念很簡(jiǎn)單：它利用空間中兩個(gè)波之間的干涉來(lái)進(jìn)行測(cè)量。這個(gè)想法，通常被稱(chēng)為干涉測(cè)量，通常用于電信、導(dǎo)航、成像和建筑。

干涉儀背后的關(guān)鍵思想是重力影響原子物質(zhì)波的相移，其中這種相移會(huì)產(chǎn)生干涉圖案的修改。因此，通過(guò)測(cè)量原子引力的變化，可以間接測(cè)量重力。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，激光被用來(lái)照亮原子。如果原子吸收來(lái)自激光的光，它會(huì)導(dǎo)致動(dòng)量增加，因此，原子將遵循它原本打算遵循的單獨(dú)路徑。一旦光被吸收并且原子的干涉圖案重新組合，由此產(chǎn)生的差異為我們提供了兩條路徑的引力強(qiáng)度。

軍方起初使用原子干涉儀，因?yàn)槿�球定位系統(tǒng) (GPS) 等系統(tǒng)在未開(kāi)發(fā)的位置出現(xiàn)故障。該技術(shù)隨后被用于水下石油和天然氣勘探以及海底研究。

量子傳感器的應(yīng)用

由于其潛在的好處，量子傳感器已被部署在廣泛的關(guān)鍵操作中。可再生能源、核能和地?zé)崮艿阮I(lǐng)域一直在采用量子傳感器進(jìn)行應(yīng)用。

例如，在核電站中，已經(jīng)部署了量子傳感器來(lái)幫助核能輸出。原子干涉量子傳感器等設(shè)備正被用于檢測(cè)核電站中的同位素。這些極其敏感的設(shè)備不僅可以檢測(cè)同位素中的輻射量，還有助于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)核電站的輻射安全。

就維護(hù)制造基礎(chǔ)設(shè)施而言，量子傳感器用于檢測(cè)設(shè)備的早期故障，以獲得未來(lái)的性能診斷報(bào)告。這種方法已經(jīng)用基于狀態(tài)的維護(hù)取代了傳統(tǒng)的基于時(shí)間的維護(hù)實(shí)踐，從而降低了總體成本并大限度地減少了設(shè)備故障。

量子傳感器也越來(lái)越多地部署在輸電網(wǎng)中，即所謂的“智能電網(wǎng)”，傳感器在其中監(jiān)控和分析性能。還測(cè)量了電力線中的溫度損失、應(yīng)變和應(yīng)力等因素，這些因素是確定電力損失的有用指標(biāo)。這些傳感器接收到的輸入有助于電網(wǎng)制造商提高電網(wǎng)效率。

最近，量子傳感器已廣泛用于開(kāi)發(fā)智能建筑。量子傳感器全天準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)每棟建筑的能源使用情況，并據(jù)此監(jiān)測(cè)建筑的通風(fēng)、供暖和照明等功能。這有助于降低建筑物的整體能源消耗，從而消耗更少的資源。 

量子傳感器的未來(lái)是什么樣的？

盡管測(cè)量精度很高，但量子傳感器仍然容易產(chǎn)生不同類(lèi)型的噪聲，從而阻礙了它們?cè)谠S多應(yīng)用中的使用。一個(gè)阻礙因素是缺乏可用于在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外實(shí)際感測(cè)參數(shù)的硬件。 

這些限制在研究和實(shí)際環(huán)境之間造成了領(lǐng)域差距。將量子傳感器擴(kuò)展到工業(yè)水平也具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閭鞲衅髦饕�是為�?shí)驗(yàn)室操作而設(shè)計(jì)的。

諸如量子相干性等因素，伴隨著環(huán)境損失和噪聲，也阻礙了量子系統(tǒng)的信噪比，例如計(jì)量應(yīng)用中使用的那些。

隨著全球?qū)δ軌驕?zhǔn)確測(cè)量參數(shù)的設(shè)備的需求增加，量子傳感器可能會(huì)進(jìn)一步應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

雖然這些傳感器面臨許多挑戰(zhàn)，但增加的研究和工業(yè)興趣肯定會(huì)支持它們的發(fā)展。