研究人员正利用量子物理学，创造新的传感器，以使人类看到更远，更深处和每个角落。

　　20世纪以来，量子物理学改变了我们如何看待微观世界。得益于传感器技术的进步，这个革命性的，违反直觉的物理学分支可以改变我们对日常世界的看法。

　　量子传感器可用于医疗扫描仪，自动驾驶汽车，天气模式评估和地震活动分析中。因此，随着我们对奇怪的亚原子世界的理解越来越深入，量子传感势必将永远改变我们的日常生活。

　　量子传感器可操纵量子力学的各个方面，例如纠缠，即尽管粒子之间有距离，但粒子变化可以立即影响其纠缠的伙伴——电子可以占据原子的能级，以极富想象力的方式评估其周围的环境。

　　深入地下的量子传感器

　　在城市表面之下是大量的公用事业基础设施，例如管道，电缆和下水道，运输公用事业，甚至是矿井，旧基础和污水坑。

　　因为埋藏于地下，所以公共设施的改造工作困难而缓慢，以及昂贵，但它们常常可能对工人和公众构成的危险。当然，有一些传感器可以在不穿透的情况下探测地下。然而，像穿地雷达(GPR)这样的技术只能探测到地表下几厘米的地方，然后它的信号就会被扼杀，而管道和电缆可能有几米深。

　　一种可能的选择来自量子领域。

　　量子技术可以创造出一种重力传感器，它可以探测到地表下更深的地方。理论上，这种传感器可以探测到地球的中心。量子重力传感器更有用，因为它们不通过地面发送信号。相反，它们利用量子物理学中被称为 “叠加 ”的一个方面来测量密度变化。

　　叠加产生于粒子的波状行为，意味着一个量子系统在技术上可以同时以两种矛盾的状态存在。这种矛盾的存在一直持续到进行测量为止。

　　量子引力传感器会将两种不同状态叠加的超冷原子云投放到一个待探测的区域。然后观察原子云的变化以及它如何通过地面，给地面以上的操作者提供密度测量。这些密度的变化表明了埋藏的障碍物，如管道和电缆，以及隧道造成的空隙。

　　这种系统的应用远远超出了协助道路工程的范围。量子重力传感器可用于火山活动区域，监测熔岩流动，帮助地质学家发现水和矿藏。自驾船也可以利用该系统导航和探测海洋深处。

　　在英国，伯明翰大学与工程服务公司RSK合作开展了 “重力先锋 ”项目，该项目旨在使量子重力传感器成为现实。

　　量子传感器让自动驾驶汽车看清“拐角处”

　　自主导航是汽车行业的一大难题。高速公路安全保险研究所最近出具了一份报告，认为尽管自动驾驶汽车不受人为错误、分心或驾驶员无能力的影响，但只有三分之一的交通事故可以避免。

　　只要用于检测光线的传感器足够灵敏，光线从墙壁和其他表面折射的趋势就可以用来构建3D图像。这种回弹光可以让自动驾驶汽车在拐角处 “看到”。更加灵敏的传感器还可以让这些车辆看穿雾气和烟雾。

　　提高量子传感器的灵敏度是芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PPME)科学家的主要目标之一。

　　该团队认为，利用一种名为非赫米特动力学的物理现象，可以防止光子腔串，防止光从传感器中 “泄露”。这样就可以在不消耗额外能量或大幅增加传感器的光子收集面积的情况下提高灵敏度。

　　量子传感器可测量更准确的时间

　　虽然量子计算机甚至量子互联网可能会出现在地平线上，但这些改进的信息网络将在很大程度上依赖于精确的同步计时。上面讨论的所有创新也将取决于地理分布网络上的超精确时钟。

　　这种精确的计时目前是通过原子钟来实现的，原子钟以量子现象和随机性来保持时间，而随机性正是这一物理学领域的核心。因此，它们很可能是第一个被广泛使用的 “量子技术”，在任何关于这种进步的讨论中，它们可能都值得一提。

　　除此以外，原子钟还构成了我们的卫星导航和手机每天所依赖的全球定位系统(GPS)技术的基础。

　　原子钟将石英晶体振荡器与原子组合在一起，以实现更大的稳定性。为了让您了解这与单独使用石英晶体振荡器的腕表相比有多精确，美国宇航局的深空原子钟在4天后会偏离不到一纳秒，10年后会偏离不到一微秒(百万分之一秒)。这相当于每1000万年约一秒。

　　原子钟之所以能运行，是因为电子在绕原子核运行时只能占据一定的能级。它们通过吸收或发射特定能量的光子从一个层次 “步入 ”另一个层次。

　　原子钟具有令人难以置信的准确性，因为光子是以精确的能量 “包 ”的形式出现的，而使一个电子上升需要精确的能量。

　　然而，这并不意味着原子钟不能被改进。美国宇航局资助的研究人员正试图利用纠缠来创造人类已知的最精确的时钟。在原子钟中纠缠足够多的原子，可以产生一个稳定的原子钟，以至于大约每300亿年就会损失一秒。

　　量子传感器的市场潜力为每年40亿英镑

　　目前，这些应用——除了原子钟之外，都严格地处于开发阶段，有些模式比其他模式走得更远。但是，这些技术的基础现象已经成熟，量子传感器进入市场只是时间问题。

　　在最近的一篇《科学美国人》文章中，估计这种传感器可以在3-5年左右的时间内出现。

　　为了了解量子传感器对未来的重要性，伯明翰大学正在领导一个价值8000万英镑的财团——英国传感器和计量量子技术中心，利用量子效应建立下一代重力、磁场、旋转、时间、THz辐射和量子光的传感器。

　　伯明翰大学工程与物理科学学院创新主任Kai Bongs教授是该联盟的主要研究者。他和他的团队发现，量子传感器的市场潜力为每年40亿英镑，有可能使英国的国内生产总值提高10%。

　　在英国其他地方，政府和私人部门已经向其国家量子计算计划第二阶段(2019-2024年)投资3.15亿英镑。

　　也许具有讽刺意味的是，量子物理学——一门非常小的科学，却可以通过量子传感器，以非常大的方式改善我们的生活。

　　(来源：传感器专家网)