『传感器』一文读懂量子传感器技术与应用
北京联盟_原题是：一文读懂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 。
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 。
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所谓量子传感器 ， 可以从两方面加以定义：
(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 。
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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:
(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;
(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;
(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;
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