传感器，另一场量子革命

Original 光子盒研究院光子盒 2021-12-15

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光子盒研究院出品

能够提供独特灵敏度和准确性的量子传感器将在许多领域掀起一场革命，例如医药、土木工程、电信、自然资源管理等等。

勘测城市下方的每条管道、预测火山喷发或通过最微小的细节观察大脑活动，这些都只是一种具有前所未有的灵敏度的新型仪器——量子传感器所能够实现的一部分应用。在所有正在开发的量子技术中，毫无疑问，这是最先进的技术之一，有些甚至正在从实验室中涌现并推向市场！

顾名思义，量子传感器利用了量子物理学的特性，一种在原子尺度上描述现象的理论。这些设备的核心是微观物体（光子、原子、电子等），物理学家现在可以随意操纵它们，甚至将其置于特定的量子态中，而该量子态对环境中的最小干扰极为敏感。量子传感器是基于该原理构建的，这解释了它对各种微小信号的灵敏感知力，例如我们脚下物体的引力或大脑发出的磁场。

原子干涉仪是最早利用这一特性的量子传感器。这些设备最初是为基础研究和计量学而开发的，它们使用激光将几百万个粒子组成的原子云冷却到非常低的温度，大约比绝对零度（约-273.15℃）高出百万分之一度。

“在这样的条件下，原子运动得非常缓慢，我们可以精确地估算出它们所受到的力，例如加速度或角速度。”法国巴黎天文台SYRTE实验室的负责人Arnaud Landragin解释说。

Arnaud Landragin（后）和Leonid Sidorenkov（前）

例如，这些仪器可以测量重力加速度，在这种情况下，它们被称为原子重力仪。这是通过原子在地球引力作用下自由下落来完成的。在此过程中，粒子会受到一系列激光脉冲的作用，这些脉冲会将每个粒子置于一个量子叠加态。在一种状态下，粒子没有吸收激光光子，而在另一种状态下，粒子吸收了这种光子，从而加快了速度。

在这两种情况相互干扰之前，观察到的干扰信号反映了重力加速度（g）导致的两种状态之间路径的差异，从而使计算出重力加速度（g）的值成为可能。

“测量非常精确，因为我们可以检测到大约十亿分之一量级的重力加速度波动，或者当它上升到离地球表面三毫米时的重力变化！”法国光子、数字和纳米科技实验室（LP2N）研究主任Philippe Bouyer表示。

这种精确度为许多应用开辟了道路，因为精确的重力测量可分析出有关土壤成分的宝贵信息。例如，大量的花岗岩、浮油或地下水库具有不同的密度，因此会导致地表的重力加速度值略有不同，这可以促进对自然资源的勘探和管理。

同样地，把这样一个重力仪放置在火山的斜坡上，地球物理学家可以更好地掌握其活动情况，因为当火山表面附近的岩浆囊出现或消失时，重力加速度都将受到影响。在地震活动区监测构造板块的运动也是如此。

埃特纳火山顶部的Muquans重力仪

研究人员很快就了解了这个仪器的全部潜力，并且正在不懈地努力以将其扩展到实验室之外。这正是Landragin和Bouyer所做的：在开发出一种光学技术可简化他们的重力仪的功能之后，他们于2011年决定成立Muquans公司，这是世界上唯一一家将这种传感器商业化的公司。迄今为止，这家法国公司已经出售了十几套设备，主要卖给了地球物理研究所。

今年夏天，作为Newton-g欧洲项目的一部分，其中一种测量仪器将安装在埃特纳火山（Mount Etna）的顶部，目的是监测岩浆运动，最终目的是将岩浆运动与火山活动联系起来，并在未来某天预测出火山爆发。

Muquans仪器相对紧凑，该仪器由高度为70 cm的圆柱体和一个稍大的电子和激光模块组成。就尺寸而言，现有的经典重力仪更好，这种重力仪由悬挂在弹簧末端的重物组成。后者易于运输，在该领域应用最为广泛。“问题在于它的测量值会随时间浮动，因此必须定期进行校准。另一方面，原子重力仪提供了一种绝对稳定的绝对测量，因为它基于量子物理学定律。”Landragin解释说。

关于精度，另一种类型的绝对重力仪——由一个镜面自由落体的光学干涉仪组成，能够提供与其相同的性能。“缺点是，它的机械部件会遭受相当大的磨损，不像原子重力仪几乎不需要维护。因此，后者可用于长时间连续读取。”这是长期监测自然现象的一项重要设备。

这些优势解释了为什么地球物理学家越来越多地采用这种新仪器，特别是在它的尺寸在未来会缩小的情况下。“在接下来的四年里，我们的仪器的重量将减半，从现在的100千克降至50千克，这将进一步扩大其应用范围。”Muquans总裁Bruno Desruelle兴奋地说。

还有更多诸如Muquans之类的实验室和公司正在研究一种重力仪的改进版本，即重力梯度仪。它不受地面震动的影响，因为地面震动会干扰测量。这可以通过使用两个在相同振动下，但从不同高度坠落的原子云来实现。比较来自两个云的信号可以消除环境干扰，同时获得重力梯度的测量值。

Desruelle指出：“梯度仪可以检测到浅层的小质量，而重力仪对深层的大质量很敏感。”

重力仪原型

这种传感器可以简化土木工程和建筑公司的工作。此前，他们必须进行冗长而昂贵的实地勘测，以分析出以前的矿井或其他危险的地下结构，并且经常需要挖掘来找到位于街道下方的管道网络或电缆。现在，一个梯度仪将帮助他们节省大量时间和金钱。

原子干涉仪的功能不止一点，它还可以用于开发导航系统。即使没有GPS信号，导航系统也可以继续运行，这对军队来说尤为重要。这样的自主机制已经存在，例如加速度计和陀螺仪，它们通过分别测量车辆的加速度和角运动，以便不断确定其运动方向和速度，从而计算出它的位置。但就像弹簧重力计一样，这些仪器的测量结果会随着时间而波动。

例如，在一架客机中，现有惯性传感器的不稳定性会在飞行一小时后转化为大约一百米的误差。“但是原子加速度计和陀螺仪本质上是稳定的，所以它们可以提供更精确的导航。”Bouyer强调说。

GyrAChip冷原子陀螺仪

这些原子惯性测量设备现在已经投入使用，但仅在实验室中使用。它们的体积仍然太大，以至于无法安装在车上，并且对船只和飞机上经常发生的振动还没有足够的抗干扰能力。

目前各实验室及公司正在探索几种途径来改善这种情况。法国科技巨头泰雷兹集团（Thales）正在为不同应用领域开发多种量子技术，他们正在努力基于原子芯片的创新技术来实现小型化设备。这再次涉及到激光冷却的原子，它们不受自由落体的影响，而是被磁捕获在芯片上，利用微电线产生的无线电波来控制它们。

泰雷兹研究与技术物理组负责人Daniel Dolfi兴奋地表示：“希望这能让我们在2030年之前制造出体积仅为1立方分米的量子惯性传感器。”

原子芯片

另一种非常有前途的量子传感器基于NV（氮空位）色心，这是一种存在于金刚石中的点缺陷，可以探测到非常弱的磁场。这些由一个氮原子和空位而不是两个碳原子组成的点缺陷，其行为类似于单个原子：当被绿色激光激发时，它们发出的红光强度取决于自旋态——量子磁矩可以表示为一个小的磁针，因此对附近电子阱的磁场十分敏感。

通过以合适的频率发送微波，就可以产生量子叠加态，从而记录所发射光量的变化。然而，外部磁场的存在会改变自旋状态的位置，从而改变它的共振频率，这个值与磁场的强度成正比。通过测量红光的接收量，可以精确地计算出磁场的值。

“NV色心传感器的第一个优点是它们易于安装，它们可以在室温下运行，因此不需要像其他系统那样的重型低温设备，这为众多应用打开了大门。”泰雷兹NV色心传感器负责人Thierry Debuisschert强调。例如，一种称为Squids的磁场传感器，能够提供比NV色心传感器更高的灵敏度，但是它们必须在非常低的温度下工作。

使用金刚石NV色心的频谱分析仪

这些人造原子的另一个优点是它们的尺寸。如今，有可能生产出包含单个NV色心的几十纳米的微小金刚石。将这种金刚石放在硅尖端的尾部，并使其非常接近某种材料，就意味着获得了另一种类型的显微镜。当扫过物体表面时，这种显微镜可以非常详细地识别物体的磁性。

“这种显微镜非常独特，可以对材料的磁场进行非常精细的测量，分辨率可达几十纳米。”来自法国蒙彼利埃第二大学Charles Coulomb实验室（L2C）的Vincent Jacques说，他的团队在2012年使用NV色心显微镜制作了第一张磁图像。

自这次展示以来，已经有多家初创公司着手开发这些新一代显微镜，并且已经在市场上提供了第一批商业原型。这是迄今为止NV色心最先进的应用。

在这一领域，国内致力于量子精密测量技术的国仪量子已开发出量子钻石原子力显微镜。其产品基于NV色心和AFM扫描成像技术，通过对金刚石中氮—空位（NV）中心发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，可实现磁学性质的定量无损成像，具有纳米级的高空间分辨以及单个自旋的超高探测灵敏度，是研究材料磁学性质的新利器，在磁畴成像、二维材料、拓扑磁结构、超导磁学、细胞成像等领域有着广泛应用。

量子钻石原子力显微镜（国仪量子）

这些仪器将在自旋电子学领域取得巨大进展。自旋电子学是电子学的一个分支，利用电子的自旋，它利用电子的自旋而不仅仅是电子的电荷。人们正在考虑用许多材料来改进未来电子产品的部件，要找到最好的候选者，需要对它们的磁性有全面的了解。Jacques指出：“NV色心显微镜是这方面的理想工具，因为它可以在室温下探测特定磁矩下的纳米级磁场，”

在生物学和化学领域中的应用同样有前途。由于NV色心在室温下是可控制的，并且金刚石是无毒，因此可以直接将细胞或分子放置在几毫米大小的石头表面，而不会造成任何损害，其中嵌入了多个NV色心来提高其磁场的灵敏度。这个想法是为了计算这些样品的核磁共振（NMR），也就是由原子核自旋产生的振荡场。

“与其他核磁共振技术相比，它的优点是对少数旋转甚至仅对一个旋转都具有灵敏度。”负责协调欧洲Asteriqs项目的Thierry Debuisschert指出，该项目的目的是探索使用和改进NV色心的各种应用。“这使得描述单个细胞或分子的特征成为可能。”

这方面的研究已经开始，人们希望有朝一日这些传感器可以用于分析大脑活动的细节，或者研究决定其功能的蛋白质结构——这是设计新药的一个重大关键。

泰雷兹集团正在开发一种非常新颖的量子传感器应用。“与其依赖NV色心来探测磁场，我们可以做相反的事：在金刚石上施加磁场来识别环境中存在的微波频率。”Debuisschert补充道。设备随后成为一个频谱分析仪，可以同时识别雷达波领域中数百种不同的频率。

这种仪器最终可以使军方能够拦截通信或识别威胁（雷达或导弹的特征）。在日常生活中，它将改善移动通信，因为对所使用的频带进行持续分析，使得可以根据需要将它们实时地重新分配给特定的运营商。

这家法国公司开发的实验室原型已经证明了这项技术的价值。该团队目前正致力于缩小它的尺寸、提高其灵敏度，特别是通过优化利用金刚石发出的红光，以及改善晶体的质量。他们的目标是在未来五年内提供一种可以实际应用的传感器。

金刚石中的这些缺陷将持续引起人们的兴趣，尤其是当科学家们开始探索其能力时——即利用它们的自旋状态测量微小的电场以及温度和压力的变化。简而言之，他们的目标是终极量子传感器。由于该仪器多方面的性能，毫无疑问，这有一个光明的前景。

原文链接：

https://scienceblog.com/520617/sensors-the-other-quantum-revolution/

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