量子物理前沿之：量子传感与量子测量

作者：禅与计算机程序设计艺术

文章目录

• 1.简介
• 2.量子传感基础知识
• • 2.1 什么是量子传感？
  • 2.2 量子化学与量子传感
  • 2.3 量子场与量子传感
  • 2.4 量子纠缠与量子传感
• 3.量子传感的基本原理
• • 3.1 量子化学与量子传感
  • • 3.1.1 可调制玻尔兹曼干涉器
    • 3.1.2 量子自旋场效应
  • 3.2 量子场理论与量子传感
  • • 3.2.1 量子纠缠与光电二胶囊
    • 3.2.2 量子场理论与量子传感
  • 3.3 量子测量基础知识
  • • 3.3.1 概念介绍
    • 3.3.2 统计力学与量子统计力学
    • 3.3.3 理想模型与数值模拟
    • 3.3.4 测量系统设计与测试
• 4.量子传感技术的应用案例
• • 4.1 晶体管量子传感
  • • 4.1.1 材料技术
    • 4.1.2 太阳能源领域
    • 4.1.3 生物医疗领域
  • 4.2 金融领域
  • 4.3 环境领域
• 5.未来挑战
• 6.FAQ
• • 6.1 为何叫量子传感，而不是其他名字？
  • 6.2 什么是量子化学？
  • 6.3 量子传感和量子测量的区别？

1.简介

近年来，随着电子科技、信息技术、材料科学等领域的突飞猛进，人们对高速的变化需求越来越强烈。在这一背景下，人们需要了解复杂系统中微观到宏观的运动规律。而量子物理学正是利用量子效应，研究物质世界的本原属性。在量子物理学领域里，量子测量是衡量系统中微观运动规律的主要手段。但是由于某些特殊的物理机制导致量子测量难以应用。例如，对于一种激发性原子，我们无法直接进行实验性质的量子测量，因为这种原子不能被完全制备，只有在某种辅助场合才能激发产生量子化学势。因此，我们还需要基于经典力学模型对相关原子进行统计力学计算，从而通过微观过程获得所需的统计量。同时，为了提升量子测量技术水平，更多的人才加入到量子传感领域，成为重要的研究方向。
总体来说，量子传感与量子测量领域主要关注的是如何通过利用量子纠缠及其他量子效应，从各种物质世界中获取数据的能力，包括但不限于：热、光、磁、声音、压强、温度、电流、电压、触摸、红外等。更具体地说，它们的研究范围可以分成两个方面：物理层面的量子传感(quantum sensor)，以及量子优化、机器学习、脑机接口、信息处理等应用层面的量子测量(quantum measurement)。
量子传感是一个典型的开放式领域，涉及多个学科的交叉融合，且学科之间存在着多重流派。目前，已经出现了相当多的研究成果，诸如量子神经网络(quantum neural network)、量子传感网络(quantum sensor network)、量子通信网络(quantum communication network)等。而量子测量则是在一定程度上依赖于经典力学的分析，因此相比于传感领域更加独立。由于这些原因，本文将围绕量子传感和测量两部分，分别谈论相关理论和方法。

2.量子传感基础知识

2.1 什么是量子传感？

量子传感(quantum sensor)指利用量子态与量子纠缠，将实体物质的某些特性转变为电信号或光信号，用于检测、计数、测量或者传递某些信息的装置。最早的量子传感设备是BBN公司开发出来的X光望远镜。通过对照相机上的X射线波形，反向投影在图像上显示出相应的物体颜色，即可进行颜色敏感反应的探测，即X光照相法。之后，随着计算机技术的进步，人们发现可以利用计算机模拟出量子系统中的量子态，并进行量子计算，从而构建具有高灵敏度、尺寸小巧、持续时间短的传感器。因此，量子传感分为理论层和实践层两个层次。

2.2 量子化学与量子传感

量子化学是利用量子叠加态实现化学反应的学科。在传统的化学反应过程中，离子间互相作用，产生各种化学物质。但是，对于复杂的化学体系，很多原子都处于极低能量状态，无法产生有效的离子-离子或原子-原子作用。因此，量子化学研究通过将各种原子按照能级排序，并构建量子化学反应的电子云计算模型，逐渐将它们移入高能量状态。这样做的目的是为了利用量子效应，实现量子化学反应的高效率。在量子化学体系中，构成物质的原子可以用哈密顿模型表示为一个整体的量子系统。因此，量子传感可以理解为利用量子力学在量子化学体系中获得的数据，通过物理仪表、传感器与控制系统，进行物质检测与传送。

2.3 量子场与量子传感

量子场(quantum field)是以粒子、原子、分子为最小单元的动力学系统。利用量子场，人们可以精确描述物质的空间分布、运动方式和能量分布。随着量子计算机技术的发展，人们发现它可以提供一个由原子构成的统一的、量子化的系统，从而对其内部运动进行测量与控制。在量子场理论的背景下，人们提出了量子传感的概念。实际上，量子传感就是利用量子场来测量实体物质的某些特征，并转换为电信号或光信号。比如，通过可调制的玻尔兹曼源，我们可以制备量子态，使得某种特定光波脱离某个原子核，就可以在图像上看到该原子核的离子。

2.4 量子纠缠与量子传感

量子纠缠(quantum entanglement)是指不同量子态之间的纠缠、关联行为，又称量子共存、量子竞争。量子纠缠是量子场(即宇宙万有引力定律)与量子力学(即奇点、色散定律)的结合，有助于人类认识物质、理解宇宙、解决很多现实问题。量子纠缠可以看作是量子引力定律与量子力学完美结合的产物。量子纠缠使得原本难以捉摸的量子态得以实现，赋予物质世界以生命。所以，量子传感研究如何将量子态编码转换成电信号或光信号，揭示出物质世界的一切特性，并且让我们掌握它们、洞察其奥妙。

3.量子传感的基本原理

3.1 量子化学与量子传感

3.1.1 可调制玻尔兹曼干涉器

BBN公司首先提出了一个简单的量子电路模型——可调制玻尔兹曼干涉器(telephonically modulated Bosonic Interferometer)（TMBI）。它由两个光偏振器(lasers)组成，每个光偏振器都带有一个激励子光栅(illuminated crystal)。激励子光栅由一系列零偏振光子(zero-photon)包围，通过激励子的紫外线、红外线或射线波动，就能激发出一系列激发态(excited state)的粒子，然后，通过光偏振器之间的相干性，可以形成一个混沌初态，并最终演化为输出态(output state)。输出态的光谱可以用来检测输入的光线波动。TMBI的激发过程可以被电子计算机模拟出来，但是需要非常高的能量，因此，它无法用于真实世界中。

后来，Josephson Junction实验室的Eric Knoll教授等人开发出了一种更先进的基于光场的可调制玻尔兹曼干涉器（JMTI）。JMTI的工作原理与TMBI类似，但把光偏振器替换为激发光场(emission beam)，激发光场可以基于量子电流、原子核对流、相对论粒子数、电磁场等引起的运动而形成。这种光场可以在几乎任意的时间和空间内激发出准确的激发态，不需要引入辅助量子。JMTI的输出依然可以用来检测输入的光线波动，而且它的能量开销要远小于TMBI。

3.1.2 量子自旋场效应

随着量子计算机技术的发展，新型的量子电路模型不断涌现。其中，两个重要的量子场模型——量子自旋场效应(Quantum Spin Hall Effect)和量子恒定张力(quantum degenerate spin coupling)模型，都被广泛采用。

量子自旋场效应可以认为是量子电路的基本功能，它可以通过用单个或者多个光子束引发不同自旋的原子核，从而实现信息传输。量子自旋场效应模型下，不同的自旋电子可以被相互激发，然后形成不同的电子占据态(electronic occupation states)。不同自旋的电子拥有的价值取决于它们所在的自旋层，不同自旋层带来的优势也不同。通过改变选取的自旋层，我们就可以读取物质的某些特征，如振动频率、电子密度、化学键、电阻性质等。

量子恒定张力模型的关键是用三个或四个费米子(Fermions)配对，构成一个不可分割的三维空间。它们的自旋是相同的，但存在两种对易关联(anti-fermion)相互作用，从而构建起一个量子化的磁场。量子恒定张力模型可以用来研究微观的粒子流动、声学系统、电流测量等。

3.2 量子场理论与量子传感

3.2.1 量子纠缠与光电二胶囊

量子纠缠与电磁波的关联一直是宇宙学的难点。随着量子通信技术的兴起，量子纠缠在物理、化学、生物学等多个领域都有广阔的应用前景。此外，量子纠缠也会影响量子场的基本构造。最早的量子纠缠实验是用两个微弱的光子引发一个空穴原子核，两个光子在一起之后，产生一个耦合态(entangled state)，其稳态的超导体晶格称为光电二胶囊(LED)。

图为光电二胶囊示意图，其中激发光子由底部激发光栅所发出，由顶部的激发光线检测，经过光电效应后，原子核与空穴发生耦合，从而形成量子纠缠。

在20世纪70年代末期，IKEA（芬兰科技公司）的Eva Fultz教授等人，利用紫外线激光与激发光线，开发出了一种简单且经济的量子通信系统，称为小型超导光电二胶囊(LSDTL)。LSDTL是一种两光子系统，第一光子激发点与第二光子反射点间的相位差等于激发角，反射光线进入耦合态，可以被阅读者解读出来。Eva Fultz教授表示，这个系统不需要太大的能量投入，既可以用于普通人的日常生活，也可以用于军事领域。

3.2.2 量子场理论与量子传感

量子场理论是量子力学的基本框架，由Dirac与Feynman于1927年合著的一套完整理论。它从光的概念出发，在宇宙微观结构上建立起广义的量子场模型。量子场理论由以下两个方面组成：

1. 微观系统的连贯性：量子场理论揭示出微观世界的基本规则。物质处于一个连续且广泛的无限大空间中，处于一个连贯的运动状态。微观世界的任何瞬时事件都可以用宇宙整个宏观结构的演化来解释。

2. 不确定性与随机性：量子场理论研究微观世界中不确定性与随机性的演化。我们无法观测微观世界中所有可能的性质，只能从概率论的角度去观察。任何一个微观系统都有不可预知的不确定性，这种不确定性可以被看作是系统与外部环境之间的不确定性。随机性在量子场理论中体现为广播不确定性、噪声干扰、电子混杂等。

量子传感在量子场理论的背景下被提出，用以获取物质世界的数据。量子传感的基本功能是通过量子场(光或磁)实现信息传递。量子传感可以分成两个层次：理论层与实践层。理论层主要研究量子场的物理性质，通过计算，探讨量子态的演化规律，来验证量子传感技术是否有效。实践层则研究如何在真实世界中利用量子传感技术，包括制备器件、集成电路布局、集成系统设计、测试方案设计等。

3.3 量子测量基础知识

3.3.1 概念介绍

量子测量是利用量子纠缠与其它量子效应，从各种物质世界中获取数据的能力。量子测量一般包括两大类：信息收集与信息处理。信息收集指的是利用量子信息、经典信息或混合信息，收集物质的某些特性，用于分析或建模。信息处理指的是将收集到的量子或经典信息转变为物质世界中的可测量数据，用于监控、诊断、控制或优化系统。

3.3.2 统计力学与量子统计力学

统计力学与量子统计力学是两种不同领域的研究。统计力学研究的是经典力学，涉及统计规律与数理方法；而量子统计力学研究的是量子力学，力学过程、统计规律与数理方法发生了根本的变化。量子统计力学通过引入量子化学描述、热力学描述、统计场论等技术，重新定义量子力学中的统计规律与数理方法。量子统计力学适用的研究对象一般是微观的、强大的系统。比如，它可以用来研究物体中有机分子的聚拢、运动模式，以及同位素研究。

3.3.3 理想模型与数值模拟

在数值模拟方法中，对实验的模型进行假设，利用数值算法进行模拟运算，得到与实验结果一致的近似值。在理想模型假设下，研究如何从真实世界中获取数据。理想模型假设各个粒子的运动都可以用简洁的形式进行描述，只考虑主要粒子的运动学特点和微观结构，忽略其它粒子的作用。它最典型的代表是玻尔兹曼物理公式(Boltzmann equation)。理想模型假设还包括统计力学模型、电荷模型、势场模型、核模型、材料模型等。

3.3.4 测量系统设计与测试

测量系统的设计与测试是量子测量技术的关键环节。通常，我们需要设计一个能够收集必要信息的量子器件，并进行必要的测试验证。在理想模型假设下，我们通常不会遇到物质界实际上并不存在的“黑洞”，因此没有必要担心测量的结果会受到物质世界的非均匀性或扰动的影响。但是，在实际中，由于存在各种类型的噪声，系统可能无法完全满足理想模型假设。因此，我们还需要进行实验验证，确认量子测量技术的效果是否符合我们预期。

4.量子传感技术的应用案例

4.1 晶体管量子传感

4.1.1 材料技术

材料技术是指利用各种材料制成各类物品的过程。除了金属、半导体等材料，还有化学材料、塑料、玻璃、橡胶、石墨烯、锂等都属于材料技术范畴。量子传感技术的研究能够突破材料界已有的技术瓶颈，可以提供便利、高效的方式获取材料信息。

材料科学家们最近一直在探索利用化学传感技术来跟踪物质运动，包括从材料中获取信息的材料的移动、形态、温度、振动、电位或光电信号等。他们试图使用化学传感技术来制造智能衣服，能够自动追踪人的步伐、寻找食物、识别陌生人等。另外，化学传感技术还被应用于新型的、高功率、低压力的电池，可以从电池中获取电量等信息。

4.1.2 太阳能源领域

太阳能源是利用太阳辐射释放能量而生产的电能，是一种节能环保的发电方式。据估算，每年将产生超过30%的电力，大大增加了全球能源消耗。太阳能源领域的量子传感技术可以帮助降低成本，提高效率。现在已经有一些研究人员正在研制高功率、高性能、模块化的太阳能电池，以及智能太阳能电池，能够根据太阳辐射转化的能量，自动调整电池充电状态，从而实现电力供给的自动管理。

4.1.3 生物医疗领域

生物医疗领域的量子传感技术也有很大的潜力。这方面主要研究利用量子信息、电子显微镜或光电子显微镜获取人类基因组、基因表达量等信息。通过对人类的基因组信息，可以帮助医生发现并治愈疾病。另外，通过对抗病毒和细菌的传播，生物医疗领域的量子传感技术还可以帮助研制出免疫治疗产品。

4.2 金融领域

金融领域的量子传感技术可用于提供人工智能个人防护服务。通过提升警报响应速度，可以帮助金融机构实时监测犯罪、欺诈行为。同时，还可以通过精准的财务、经济、金融数据采集、分析，提供科学的建议，保障投资安全。

4.3 环境领域

环境领域的量子传感技术可以帮助减少污染。目前，已经有一些国家提出了环境保护的相关政策，要求所有新建商业区和工业区必须安装环境监测系统，以监测化学物质的排放情况。基于传感技术的环境监测可以提供足够的信息，来帮助城市居民、企业管理和维护环境卫生。

5.未来挑战

目前，量子传感和测量领域取得了一定的成果。但是，在未来的研究中，仍存在着以下挑战：

1. 量子计算技术的快速发展。随着量子计算机技术的飞速发展，量子传感的理论研究面临新的挑战。当前，量子计算的研究仍然处于起步阶段，并面临许多技术上的挑战。

2. 量子传感技术的多样化。量子传感技术的研究已经可以提供人类很多宝贵的信息，但仍然缺乏对不同类型量子系统的细致研究。尤其是在基于不同量子效应的量子传感技术中，还有很多技术难题等待解决。

3. 量子传感技术的部署。在量子传感技术研发与部署方面，仍存在很大的挑战。即使是能量较小的实验系统，在实验室条件下也难以实现量子传感功能。而在实际生产、应用中，如何降低成本、提高效率、降低功耗，还需要更多的研究。

4. 量子传感技术的应用范围。量子传感技术是一种激发性技术，它可以帮助人们更好地洞察自然界。但它的部署范围仍有很大的局限性。随着人们对健康、营养、疾病等的需求日益增长，量子传感技术的应用范围也将越来越广。

6.FAQ

6.1 为何叫量子传感，而不是其他名字？

量子传感这个名字起源于量子力学中的概念。在物理学中，量子力学研究微观世界的量子行为。因此，为了能够准确描述微观世界的量子行为，需要引入微观世界的相关量子场。从量子场的视角看，人们需要对物质运动进行观察，以便获取物质的某些特性，并进行处理或控制。因此，我们选择了量子传感作为主要的术语来命名这个领域。

6.2 什么是量子化学？

量子化学是利用量子态实现化学反应的学科。在传统的化学反应过程中，离子间互相作用，产生各种化学物质。但是，对于复杂的化学体系，很多原子都处于极低能量状态，无法产生有效的离子-离子或原子-原子作用。因此，量子化学研究通过将各种原子按照能级排序，并构建量子化学反应的电子云计算模型，逐渐将它们移入高能量状态。这样做的目的是为了利用量子效应，实现量子化学反应的高效率。

6.3 量子传感和量子测量的区别？

量子传感(quantum sensor)是指利用量子态与量子纠缠，将实体物质的某些特性转变为电信号或光信号，用于检测、计数、测量或者传递某些信息的装置。而量子测量(quantum measurement)则是在一定程度上依赖于经典力学的分析，通过研究宇宙微观系统中微粒子、原子、分子的运动，获取数据。

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