研究人員正利用量子物理學，創造新的傳感器，以使人類看到更遠，更深處和每個角落。
20世紀以來，量子物理學改變了我們如何看待微觀世界。得益於傳感器技術的進步，這個革命性的，違反直覺的物理學分支可以改變我們對日常世界的看法。
量子傳感器可用於醫療掃描儀，自動駕駛汽車，天氣模式評估和地震活動分析中。因此，隨著我們對奇怪的亞原子世界的理解越來越深入，量子傳感勢必將永遠改變我們的日常生活。
量子傳感器可操縱量子力學的各個方面，例如糾纏，即儘管粒子之間有距離，但粒子變化可以立即影響其糾纏的夥伴——電子可以佔據原子的能級，以極富想像力的方式評估其周圍的環境。
深入地下的量子傳感器
在城市表面之下是大量的公用事業基礎設施，例如管道，電纜和下水道，運輸公用事業，甚至是礦井，舊基礎和汙水坑。
因為埋藏於地下，所以公共設施的改造工作困難而緩慢，以及昂貴，但它們常常可能對工人和公眾構成的危險。當然，有一些傳感器可以在不穿透的情況下探測地下。然而，像穿地雷達（GPR）這樣的技術只能探測到地表下幾釐米的地方，然後它的信號就會被扼殺，而管道和電纜可能有幾米深。
一種可能的選擇來自量子領域。
量子技術可以創造出一種重力傳感器，它可以探測到地表下更深的地方。理論上，這種傳感器可以探測到地球的中心。量子重力傳感器更有用，因為它們不通過地面發送信號。相反，它們利用量子物理學中被稱為 「疊加 」的一個方面來測量密度變化。
疊加產生於粒子的波狀行為，意味著一個量子系統在技術上可以同時以兩種矛盾的狀態存在。這種矛盾的存在一直持續到進行測量為止。
量子引力傳感器會將兩種不同狀態疊加的超冷原子云投放到一個待探測的區域。然後觀察原子云的變化以及它如何通過地面，給地面以上的操作者提供密度測量。這些密度的變化表明了埋藏的障礙物，如管道和電纜，以及隧道造成的空隙。
這種系統的應用遠遠超出了協助道路工程的範圍。量子重力傳感器可用於火山活動區域，監測熔巖流動，幫助地質學家發現水和礦藏。自駕船也可以利用該系統導航和探測海洋深處。
在英國，伯明罕大學與工程服務公司RSK合作開展了 「重力先鋒 」項目，該項目旨在使量子重力傳感器成為現實。
量子傳感器讓自動駕駛汽車看清「拐角處」
自主導航是汽車行業的一大難題。高速公路安全保險研究所最近出具了一份報告，認為儘管自動駕駛汽車不受人為錯誤、分心或駕駛員無能力的影響，但只有三分之一的交通事故可以避免。
只要用於檢測光線的傳感器足夠靈敏，光線從牆壁和其他表面折射的趨勢就可以用來構建3D圖像。這種回彈光可以讓自動駕駛汽車在拐角處 「看到」。更加靈敏的傳感器還可以讓這些車輛看穿霧氣和煙霧。
提高量子傳感器的靈敏度是芝加哥大學普利茲克分子工程學院（PPME）科學家的主要目標之一。
該團隊認為，利用一種名為非赫米特動力學的物理現象，可以防止光子腔串，防止光從傳感器中 「洩露」。這樣就可以在不消耗額外能量或大幅增加傳感器的光子收集面積的情況下提高靈敏度。
量子傳感器可測量更準確的時間
雖然量子計算機甚至量子網際網路可能會出現在地平線上，但這些改進的信息網絡將在很大程度上依賴於精確的同步計時。上面討論的所有創新也將取決於地理分布網絡上的超精確時鐘。
這種精確的計時目前是通過原子鐘來實現的，原子鐘以量子現象和隨機性來保持時間，而隨機性正是這一物理學領域的核心。因此，它們很可能是第一個被廣泛使用的 「量子技術」，在任何關於這種進步的討論中，它們可能都值得一提。
除此以外，原子鐘還構成了我們的衛星導航和手機每天所依賴的全球定位系統（GPS）技術的基礎。
原子鐘將石英晶體振蕩器與原子組合在一起，以實現更大的穩定性。為了讓您了解這與單獨使用石英晶體振蕩器的腕錶相比有多精確，美國宇航局的深空原子鐘在4天後會偏離不到一納秒，10年後會偏離不到一微秒（百萬分之一秒）。這相當於每1000萬年約一秒。
原子鐘之所以能運行，是因為電子在繞原子核運行時只能佔據一定的能級。它們通過吸收或發射特定能量的光子從一個層次 「步入 」另一個層次。
原子鐘具有令人難以置信的準確性，因為光子是以精確的能量 「包 」的形式出現的，而使一個電子上升需要精確的能量。
然而，這並不意味著原子鐘不能被改進。美國宇航局資助的研究人員正試圖利用糾纏來創造人類已知的最精確的時鐘。在原子鐘中糾纏足夠多的原子，可以產生一個穩定的原子鐘，以至於大約每300億年就會損失一秒。
量子傳感器的市場潛力為每年40億英鎊
目前，這些應用——除了原子鐘之外，都嚴格地處於開發階段，有些模式比其他模式走得更遠。但是，這些技術的基礎現象已經成熟，量子傳感器進入市場只是時間問題。
在最近的一篇《科學美國人》文章中，估計這種傳感器可以在3-5年左右的時間內出現。
為了了解量子傳感器對未來的重要性，伯明罕大學正在領導一個價值8000萬英鎊的財團——英國傳感器和計量量子技術中心，利用量子效應建立下一代重力、磁場、旋轉、時間、THz輻射和量子光的傳感器。
伯明罕大學工程與物理科學學院創新主任Kai Bongs教授是該聯盟的主要研究者。他和他的團隊發現，量子傳感器的市場潛力為每年40億英鎊，有可能使英國的國內生產總值提高10%。
在英國其他地方，政府和私人部門已經向其國家量子計算計劃第二階段（2019-2024年）投資3.15億英鎊。
也許具有諷刺意味的是，量子物理學——一門非常小的科學，卻可以通過量子傳感器，以非常大的方式改善我們的生活。
作者：Robert Lea
翻譯：傳感器大佬
聲明：本文內容系作者個人觀點，不代表傳感器專家網觀點或立場。更多觀點，歡迎大家留言評論。
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