腦磁圖掃描

大腦中的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，傳感器可以分析這些磁場(chǎng)以的方式掃描大腦活動(dòng)?，F(xiàn)在，量子傳感器將使一個(gè)可穿戴的頭盔能夠以的性能和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行這種腦磁圖（MEG）掃描。

目前，MEG掃描是通過(guò)被稱(chēng)為“超導(dǎo)量子干涉裝置"（SQUID）的傳感器進(jìn)行的。這些傳感器需要用昂貴的液氦冷卻到-269℃，這使得掃描儀變得極其龐大。相比之下，來(lái)自英國(guó)諾丁漢的初創(chuàng)公司Cerca Magnetics的新設(shè)備，每個(gè)都只有樂(lè)高積木那么大[2]。

Cerca的設(shè)備被稱(chēng)為“光學(xué)泵浦磁力計(jì)"（OPM），其中包含一個(gè)激光器：它通過(guò)銣原子云向一個(gè)光探測(cè)器照射光束。具體原理是，該光束可以使銣原子的磁場(chǎng)全部排成一行，使銣原子云層基本透明；來(lái)自大腦活動(dòng)的微小磁場(chǎng)可以干擾這些原子，使它們能夠吸收光探測(cè)器可以感知的光，而激光可以重置云，以便它可以繼續(xù)對(duì)磁干擾做出反應(yīng)。

這些量子傳感器在室溫下工作，使它們比SQUID體積小得多。Cerca公司主席、諾丁漢大學(xué)研究員Matthew Brookes表示，這意味著它們可以更靠近人的頭部，從而使信號(hào)至少好2-5倍，以毫米級(jí)精度和毫秒級(jí)分辨率拍攝大腦表面區(qū)域的磁圖像。

傳感器小巧輕便的特點(diǎn)也意味著它們可以被安裝在可穿戴的頭盔中，讓人們?cè)趻呙柽^(guò)程中自由移動(dòng)，而不是像目前的情況那樣需要人們長(zhǎng)時(shí)間保持靜止。此外，它可以適應(yīng)不同的頭部形狀和尺寸，使其不僅可以?huà)呙璩赡耆?，也可以?huà)呙鑳和蛬雰?。此外，“使用OPM的MEG原則上要比使用SQUID便宜很多，"Brookes說(shuō)?！凹词故乾F(xiàn)在——使用OPM的早期，一個(gè)完整的MEG成像系統(tǒng)的價(jià)格仍然是SQUID系統(tǒng)的一半，而性能相似。"

一種新的量子傳感器可以繪制地球引力場(chǎng)的強(qiáng)度[3]，這有助于揭示隱藏在地下的特征。

新的量子傳感器使用被冷卻到零度以上幾百萬(wàn)分之一的銣原子云。激光脈沖驅(qū)動(dòng)原子進(jìn)入疊加狀態(tài)，兩類(lèi)原子沿著略有不同的軌跡下落，然后這些原子被重新組合。然后，由于波粒二象性這一量子現(xiàn)象，這些原子在量子力學(xué)上相互干涉，它們的波峰和波谷相互增強(qiáng)或抑制。通過(guò)分析這種干涉的性質(zhì)，一種被稱(chēng)為“原子干涉測(cè)量法"的技術(shù)，可以揭示沿著它們各自的路徑感受到的略有不同的重力的程度。

該傳感器采用沙漏式設(shè)計(jì)，設(shè)備的每一半都有一朵原子云，相互間在垂直方向上相隔1米。因此，該傳感器可以在同一地點(diǎn)兩個(gè)分析不同高度的地球重力強(qiáng)度。通過(guò)比較來(lái)自這些云的數(shù)據(jù)，研究人員可以解釋各種噪聲源。在實(shí)驗(yàn)中，該傳感器可以檢測(cè)到埋在英格蘭伯明翰市兩座多層建筑之間路面下約0.5米的2×2米的公用隧道。

該傳感器的潛在應(yīng)用包括看到隱藏的地下結(jié)構(gòu)、探測(cè)地下自然資源、發(fā)現(xiàn)地下考古遺址、以及監(jiān)測(cè)火山活動(dòng)和地下水流。

英國(guó)伯明翰大學(xué)的科學(xué)家們現(xiàn)在正在努力建造一個(gè)背包大小的傳感器，重量約為20公斤，靠電池提供能源，并計(jì)劃將該傳感器商業(yè)化。

另一種有前途的量子傳感器可能實(shí)現(xiàn)對(duì)肺炎病毒進(jìn)行更快、更便宜和更準(zhǔn)確的測(cè)試[4]。它依賴(lài)于微型人造金剛石和其內(nèi)部缺陷：其中一個(gè)碳原子被一個(gè)氮原子取代，同時(shí)相鄰的碳原子缺失。晶體中的這種缺陷表現(xiàn)得像一塊微小的磁鐵，其排列對(duì)磁場(chǎng)非常敏感，有助于這種“氮-空位中心"作為傳感器使用。

這項(xiàng)新技術(shù)需要在大約25納米寬的金剛石氮-空位中心上涂抹磁性化合物，這些化合物在與病毒的特定RNA序列結(jié)合后從金剛石上分離出來(lái)。當(dāng)這些金剛石被綠光照亮?xí)r，它們會(huì)發(fā)出紅光。磁性涂層使這種光變暗；將傳感器暴露在病毒中可以增強(qiáng)這種光。

目前對(duì)病毒的黃金標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試需要幾個(gè)小時(shí)才能創(chuàng)建足夠的病毒遺傳物質(zhì)的副本來(lái)進(jìn)行檢測(cè)；此外，它不能高度準(zhǔn)確地量化存在的病毒數(shù)量，并且可能有超過(guò)25%的假陰性率。相比之下計(jì)算機(jī)模擬表明，新的測(cè)試?yán)碚撋现恍枰幻腌娋湍馨l(fā)揮作用，其靈敏度足以檢測(cè)到幾百股病毒RNA，并且假陰性率可能低于1%。

該測(cè)試中使用的納米金剛石和其他材料都很便宜。此外，通過(guò)調(diào)整磁性涂層以匹配目標(biāo)病毒，這種新方法可以適用于幾乎任何病毒，包括可能出現(xiàn)的任何新病毒。

量子金剛石傳感器也可以用于細(xì)胞內(nèi)的“溫度計(jì)"[5]。

金剛石中的氮-空位中心對(duì)微小的溫度波動(dòng)非常敏感。芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家Peter Maurer和他的同事將具有這種缺陷的納米級(jí)金剛石注入活體細(xì)胞，并研究晶體對(duì)激光束的反應(yīng)，以便將細(xì)胞內(nèi)的溫度映射到千分之幾攝氏度。

你可以想象使用這種原子級(jí)的溫度計(jì)來(lái)研究溫度如何影響細(xì)胞分裂、基因表達(dá)以及分子如何進(jìn)出細(xì)胞，這些都是醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的主要問(wèn)題。

科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種新的方法，將單一的蛋白質(zhì)和DNA分子束縛在有氮-空位中心的金剛石表面。通過(guò)分析這些分子的磁場(chǎng)，你可以了解原子之間的距離、它們之間相互作用的強(qiáng)度、它們的位置以及將它們保持在一起的原因。

世界現(xiàn)在嚴(yán)重依賴(lài)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，如GPS，但幫助實(shí)現(xiàn)這種定位、導(dǎo)航和計(jì)時(shí)的衛(wèi)星鏈路在地下或水下無(wú)法工作，而且容易受到干擾、欺騙和天氣的影響?，F(xiàn)在，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院和位于格拉斯哥的M Squared公司開(kāi)發(fā)的量子傳感器可以在GPS失效的情況下幫助船只導(dǎo)航[6]。

該量子傳感器是一個(gè)類(lèi)似于重力測(cè)繪裝置的原子干涉儀。分析其原子波包的相位如何移動(dòng)可以揭示它們所經(jīng)歷的任何加速度或旋轉(zhuǎn)，該設(shè)備可以用來(lái)計(jì)算位置隨時(shí)間的變化。

這種量子加速度計(jì)可以作為一個(gè)不依賴(lài)任何外部信號(hào)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院冷物質(zhì)中心的研究員Joseph Cotter說(shuō)，“溫度波動(dòng)和其他因素導(dǎo)致傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置估計(jì)在沒(méi)有外部參考信號(hào)的情況下，會(huì)在數(shù)小時(shí)內(nèi)漂移，而M Squared的設(shè)備即使在經(jīng)歷數(shù)天后也可忽略這種漂移。"

隨著技術(shù)發(fā)展，設(shè)備將越來(lái)越緊湊、成本越來(lái)越低，通過(guò)在船舶、火車(chē)和飛機(jī)上的部署，它將在整個(gè)運(yùn)輸行業(yè)產(chǎn)生更廣泛的效益。研究人員計(jì)劃在今年夏天對(duì)他們的設(shè)備進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。目前，該量子加速度計(jì)大約有兩臺(tái)洗衣機(jī)那么大，Cotter指出，“我們正在努力使其更加緊湊。"

大多數(shù)量子傳感器公司專(zhuān)注于硬件，而位于悉尼的初創(chuàng)公司Q-CTRL專(zhuān)注于軟件，以增強(qiáng)量子技術(shù)。

例如，許多量子傳感器使用激光掃描冷原子來(lái)檢測(cè)環(huán)境中的任何變化，但設(shè)備中的任何運(yùn)動(dòng)都可能導(dǎo)致原子移出激光束。Q-CTRL的創(chuàng)始人兼CEO Michael Biercuk說(shuō)：“通過(guò)我們的軟件，我們可以塑造光脈沖——它的頻率、幅度、相位——以使其在不改變硬件本身的情況下更有彈性地抑制運(yùn)動(dòng)。"

Q-CTRL正在與位于悉尼的慣性導(dǎo)航公司Advanced Navigation合作，開(kāi)發(fā)一個(gè)基于銣原子干涉儀的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以安裝在不到1立方米的地方，并可以在GPS失效的地區(qū)工作。Biercuk說(shuō)：“我們的目標(biāo)是在2023年交付可部署的系統(tǒng)。"

該公司還旨在將原子干涉儀放置在衛(wèi)星上，以低于目前成本100倍的價(jià)格從太空進(jìn)行重力測(cè)繪，預(yù)計(jì)2025年將演示有效載荷發(fā)射到低地球軌道。此外，Q-CTRL還是澳大利亞“七姐妹航天工業(yè)聯(lián)盟"的成員——該聯(lián)盟正在設(shè)計(jì)一個(gè)新的月球車(chē)，以支持NASA的Artemis計(jì)劃。其中，Q-CTRL正在研究一個(gè)基于銣的量子原子磁力計(jì)，以磁力分析月球巖石的氧氣。

暗物質(zhì)、巨型望遠(yuǎn)鏡

量子傳感器可能有助于探測(cè)遠(yuǎn)在地球之外的事物。例如，宇宙中的謎團(tuán)之一是暗物質(zhì)的性質(zhì)和“身份"，這種不不見(jiàn)的物質(zhì)被認(rèn)為構(gòu)成了宇宙中所有物質(zhì)的六分之五。暗物質(zhì)的主要理論候選物包括被稱(chēng)為“軸子"(axion)的粒子，原則上它們的質(zhì)量極低，最多只有質(zhì)子質(zhì)量的萬(wàn)億分之一，這使得它們難以被探測(cè)。

斯坦福大學(xué)的量子物理學(xué)家Kent Irwin和他的同事們正在開(kāi)發(fā)一種“暗物質(zhì)無(wú)線電接收器"[7]，以探測(cè)軸子和類(lèi)似的暗物質(zhì)候選物。該設(shè)備中的一個(gè)*的磁鐵將把軸子轉(zhuǎn)換成無(wú)線電波，而量子傳感器將放大和探測(cè)這些極弱的無(wú)線電信號(hào)。

由于暗物質(zhì)無(wú)線電探測(cè)的頻率包括用于無(wú)線廣播的頻率，該設(shè)備將需要在液氦中冷卻的超導(dǎo)鈮金屬薄層中進(jìn)行屏蔽。這可以屏蔽掉人工信號(hào)，但很容易被暗物質(zhì)穿透。Irwin說(shuō)：“我們現(xiàn)在正在計(jì)劃一個(gè)新版本的暗物質(zhì)無(wú)線電接收器，其體積約為1立方米，我們希望在未來(lái)幾年內(nèi)建造它。"

量子物理學(xué)也可能有助于實(shí)現(xiàn)巨型望遠(yuǎn)鏡陣列[8]。理論上，在太空中相距甚遠(yuǎn)的多個(gè)望遠(yuǎn)鏡可以被組合起來(lái)，形成一個(gè)數(shù)千公里寬的望遠(yuǎn)鏡。用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)可見(jiàn)光成像形成這樣的陣列是很困難的，因?yàn)樵谶B接這些望遠(yuǎn)鏡的任何光纖中不可避免地會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)波動(dòng)。然而，糾纏原則上可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)的量子隱形傳態(tài)。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）的量子光學(xué)研究人員Paul Kwiat目前正在用桌面實(shí)驗(yàn)研究這種“量子增強(qiáng)型望遠(yuǎn)鏡"。一個(gè)大約相當(dāng)于地球直徑的望遠(yuǎn)鏡陣列原則上可以對(duì)附近恒星上城市大小的特征進(jìn)行成像。

最近，奧地利的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了個(gè)可編程的量子傳感器[9]，這是一個(gè)能夠在量子力學(xué)定律的極限附近運(yùn)行的靈敏度水平的設(shè)備。

在這項(xiàng)工作中，他們對(duì)一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程，為自己找到設(shè)置，以測(cè)量其組件的狀態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)這種可編程的量子傳感器可以?xún)?yōu)化自身，以接近基本的傳感極限，可達(dá)約1.45(一個(gè)傳感器越接近傳感極限1，其性能就越好）。他們建議，可編程的量子傳感器可以在諸如原子鐘和定位系統(tǒng)、磁和慣性傳感器等設(shè)備中找到用途。

總而言之，量子傳感器正在帶來(lái)的精度，影響從單一蛋白質(zhì)到天文學(xué)和宇宙學(xué)問(wèn)題的方方面面。