『传感器』一文读懂量子传感器技术与应用( 二 )
【『传感器』一文读懂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;
(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 。
三、量子传感器的应用
随着量子控制研究的深入,对敏感元件的要求将越来越高,传感器自身的发展也有向微型化、量子型发展的趋势,量子效应将不可避免的在传感器中扮演重要角色,各种量子传感器将在量子控制、状态检测等方面得到广泛应用 。
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 。
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 。
MEMS传感器在量子成像读出上至少有几个量级幅度上的进步 。来自格拉斯哥大学和桥港大学的研究人员开发了一种We-g检测器 ， We-g是一种基于MEMS的重力仪 ， 它比传统的重力传感器轻得多 ， 而且可能比传统的重力传感器便宜得多 。
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We-g传感器利用量子光源来改善设备精度 ， 即便是更小的物体也可以被检测到——或有助于雪崩与地震灾害中的救援行动 ， 以及帮助建筑行业确定地下的详细状况 ， 减少由于意外危险造成的工程延误 ， 并摆脱对昂贵的勘探挖掘的依赖 。
另外 ， 常规性地球遥感观测也可以通过精确重力测量来实现 ， 监测的范包括地下水储量、冰川及冰盖的变化 。
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 。
相比于传统接收器 ， 新量子传感器体积更小 ， 而且其灵敏度可与其他电场传感器技术——如电光晶体和偶极天线耦合的无源电子设备等相媲美 。
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