量子傳感器是根據(jù)量子力學(xué)規(guī)律、利用量子效應(yīng)設(shè)計(jì)的、用于執(zhí)行對(duì)系統(tǒng)被測量進(jìn)行變換的物理裝置。美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室傳感器與電子設(shè)備局物理學(xué)家Qudsia Quraishi博士指出，下一代精確傳感系統(tǒng)涉及量子傳感器，量子傳感器基于激光冷卻原子，極可能大幅提升系統(tǒng)性能。激光冷卻原子是小型相干氣體原子，可以測量重力場或磁場變化，不僅非常精確，而且靈敏度很高。

美國陸軍正在探討的量子傳感技術(shù)領(lǐng)域包括：陀螺儀、磁力測定、重力梯度測量、下一代小型傳感器以及原子電子技術(shù)。利用陀螺儀，可以測量物體旋轉(zhuǎn)變化，因此原子陀螺儀可以用于精確導(dǎo)航和地震探測。重要的是，基于原子的導(dǎo)航不需要GPS信號(hào)，因此，可以在GPS拒止環(huán)境下使用。總之，量子傳感技術(shù)將給美國陸軍帶來諸多益處。 [1] 2022年，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種生產(chǎn)納米鉆石的新方式。這種鉆石未來還能用于高靈敏度的量子傳感器。

近日，麻省理工學(xué)院研究人員開發(fā)了一種方法，使量子傳感器能夠檢測任意頻率，并且依然具有在納米尺度上進(jìn)行測量的能力。來自麻省理工學(xué)院(MIT)目前，團(tuán)隊(duì)已為新方法申請(qǐng)了專利保護(hù)。通過這一方法，能夠擴(kuò)展超靈敏的納米級(jí)量子探測器的能力，并可潛在應(yīng)用于量子計(jì)算和生物傳感領(lǐng)域。相關(guān)成果發(fā)表在《物理評(píng)論X》(Physical Review X)。

據(jù)悉，量子傳感器本質(zhì)上是其中一些粒子處于微妙平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，即便是所在場產(chǎn)生微小變化，也會(huì)影響系統(tǒng)中粒子的狀態(tài)。量子傳感器可利用中性原子、被囚禁的離子和固態(tài)自旋等多種形式，采用這些傳感器的研究也得以迅速發(fā)展。例如，物理學(xué)家使用量子傳感器來研究物質(zhì)的奇異狀態(tài)，包括時(shí)間晶體和拓?fù)湎唷５芏嗔羁茖W(xué)家感興趣的物理現(xiàn)象仍會(huì)涉及較大頻率范圍，超過現(xiàn)有量子傳感器的探測范圍。此次，由麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程學(xué)、物理學(xué)教授Paola Cappellaro團(tuán)隊(duì)和隸屬于美國國防部的林肯實(shí)驗(yàn)室人員設(shè)計(jì)出一個(gè)新系統(tǒng)，他們稱之為量子混合器(quantum mixer)，也可稱為量子混頻器。該混頻器通過一束微波向探測器射入第二個(gè)頻率，通過頻率的轉(zhuǎn)換，使探測器能夠定位到任何需要的頻率，而不會(huì)損失傳感器的納米級(jí)空間分辨率。

近日，東京工業(yè)大學(xué)研究人員提出了一個(gè)解決電動(dòng)汽車低效的方案。該團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種基于鉆石量子傳感器的檢測技術(shù)，該技術(shù)可以在測量電動(dòng)汽車大電流時(shí)，以1%的精確度估計(jì)電池電量。

電動(dòng)汽車低效的一個(gè)主要原因是對(duì)電池電量估計(jì)不準(zhǔn)，電池的充電狀態(tài)是基于電池的電流輸出來測量的，據(jù)此可估計(jì)車輛的剩余行駛里程。

通常情況下，電動(dòng)汽車電池的電流可達(dá)到數(shù)百安培，能夠檢測到這種電流的商用傳感器無法測量毫安級(jí)別的電流的微小變化，導(dǎo)致在估計(jì)電池電量時(shí)約有10%的模糊性，這意味著電動(dòng)汽車的續(xù)航里程可延長10%。

此次研究中，該團(tuán)隊(duì)使用兩個(gè)鉆石量子傳感器制作了一個(gè)原型傳感器，這兩個(gè)傳感器放置在汽車母線(進(jìn)出電流的電子接頭)的兩側(cè)。他們使用了“差分檢測”技術(shù)，消除了兩個(gè)傳感器檢測到的共同噪聲，只保留了實(shí)際信號(hào)，從而能在背景環(huán)境噪聲中檢測到10毫安的小電流。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)兩個(gè)微波發(fā)生器產(chǎn)生的頻率進(jìn)行了模擬—數(shù)字混合控制，以在1千兆赫的帶寬上追蹤量子傳感器的磁共振頻率。他們發(fā)現(xiàn)，磁共振頻率可實(shí)現(xiàn)±1000安的大動(dòng)態(tài)范圍(檢測到的最大電流與最小電流之比)。此外，該傳感器在-40℃至85℃的寬工作溫度范圍涵蓋一般的車輛應(yīng)用。

最后，該團(tuán)隊(duì)對(duì)這一原型進(jìn)行了全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)(WLTC)駕駛測試，這是一種電動(dòng)汽車能耗的標(biāo)準(zhǔn)測試。該傳感器準(zhǔn)確跟蹤了-50安到130安的充放電電流，電池電量估計(jì)精度在1%以內(nèi)。

研究人員稱：“將電池使用效率提高10%，這將使2030年2000萬輛新型電動(dòng)汽車的運(yùn)行能耗減少3.5%，生產(chǎn)能耗減少5%。這又相當(dāng)于2030年全球運(yùn)輸領(lǐng)域二氧化碳排放量減少0.2%。”

量子傳感器本質(zhì)上是其中一些粒子處于微妙平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，即便是所在場產(chǎn)生微小變化，也會(huì)影響系統(tǒng)中粒子的狀態(tài)。量子傳感器可利用中性原子、被囚禁的離子和固態(tài)自旋等多種形式，采用這些傳感器的研究也得以迅速發(fā)展。例如，物理學(xué)家使用量子傳感器來研究物質(zhì)的奇異狀態(tài)，包括時(shí)間晶體和拓?fù)湎唷５芏嗔羁茖W(xué)家感興趣的物理現(xiàn)象仍會(huì)涉及較大頻率范圍，超過現(xiàn)有量子傳感器的探測范圍。此次，由麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程學(xué)、物理學(xué)教授Paola Cappellaro團(tuán)隊(duì)和隸屬于美國國防部的林肯實(shí)驗(yàn)室人員設(shè)計(jì)出一個(gè)新系統(tǒng)，他們稱之為量子混合器(quantum mixer)，也可稱為量子混頻器。該混頻器通過一束微波向探測器射入第二個(gè)頻率，通過頻率的轉(zhuǎn)換，使探測器能夠定位到任何需要的頻率，而不會(huì)損失傳感器的納米級(jí)空間分辨率。

在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)使用了一種基于金剛石中氮-空位色心陣列的特殊裝置。氮-空位色心(NV色心)，是鉆石晶體結(jié)構(gòu)中常見的點(diǎn)缺陷，由氮原子取代碳原子和相鄰空穴而形成，利用其在磁場中的量子順磁共振效應(yīng)及熒光輻射特性可進(jìn)行精密磁測量，可被廣泛應(yīng)用于量子傳感。

電子自旋共振譜儀基于金剛石中氮-空位色心陣列探測結(jié)果，圖片來自論文基于前述裝置，團(tuán)隊(duì)成功演示了如何使用頻率為2.2千兆赫(GHz)的量子比特探測器，探測到頻率為150兆赫(MHz)的信號(hào)。以往如果不借助量子多路復(fù)用器，這是無法實(shí)現(xiàn)的。然后通過推導(dǎo)一個(gè)基于弗洛凱(Floquet)理論的理論框架，團(tuán)隊(duì)對(duì)這一過程進(jìn)行了細(xì)致分析，并在一系列實(shí)驗(yàn)中測試了該理論的數(shù)值預(yù)測。弗洛凱理論是常微分方程理論的一種。“同樣的原理也可以應(yīng)用于任何類型的傳感器或量子設(shè)備。”論文第一作者、麻省理工學(xué)院研究生王國慶說道，“這一系統(tǒng)是獨(dú)立的，探測器和第二個(gè)頻率源都封裝在一個(gè)設(shè)備中。”

他表示，前述系統(tǒng)可以用于詳細(xì)描述微波天線的性能。工作于米波、厘米波、毫米波等波段的發(fā)射或接收天線，統(tǒng)稱為微波天線。“該系統(tǒng)能夠以納米級(jí)分辨率描述(由微波天線產(chǎn)生的)場的分布，所以它在這一領(lǐng)域很有前景。”

盡管其他方法也可以改變部分量子傳感器的頻率靈敏度，但均離不開大型設(shè)備和強(qiáng)磁場。而這些恰恰會(huì)降低精度，無法達(dá)到新系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的超高分辨率。例如，用于調(diào)整傳感器的強(qiáng)磁場，可能會(huì)破壞量子材料的特性，從而影響想要測量的物理現(xiàn)象。

麻省理工學(xué)院教授Cappellaro表示，前述系統(tǒng)可能會(huì)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生新的應(yīng)用，因?yàn)樗梢栽趩蝹€(gè)細(xì)胞水平上獲得一系列頻率的電、磁活動(dòng)。“使用現(xiàn)有的量子傳感系統(tǒng)很難獲得這類信號(hào)的有用分辨率。”但新系統(tǒng)也許可以檢測出單個(gè)神經(jīng)元對(duì)某些刺激做出反應(yīng)時(shí)的輸出信號(hào)，這些刺激通常會(huì)包含大量噪聲，使得輸出信號(hào)難以分離出來。新系統(tǒng)還可能用于詳細(xì)描述奇異材料的行為，例如二維材料的電磁、光學(xué)和物理性質(zhì)。

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